表面式永磁电机电磁激振力波及其抑制措施研究

论文摘要

噪声是四大环境污染之一,长时间在噪声环境中工作会影响人的听觉器官和神经系统,严重危害人的身体健康。因此,电机的振动和噪声性能已经成为衡量电机性能优劣的重要指标之一。近十几年来,随着电力电子技术、永磁材料和微机控制技术的发展,永磁电机因其具有高效、高功率密度、高可靠性的特点,在国民经济的各个领域得到了极为广泛的应用。低噪声永磁电机的设计和优化对于提高永磁电机的性能、扩大永磁电机的应用范围和增强国产永磁电机的竞争力具有重要的现实意义。永磁电机的噪声分为电磁噪声,机械噪声和空气动力噪声,其中电磁噪声是其中的主要成分。国内外针对感应电机的电磁振动和噪声进行了广泛的研究,得出了大量有用的结论,但是永磁体的存在使得传统的计算和分析振动噪声的方法并不能直接应用于永磁电机。目前针对永磁电机振动和噪声的研究相对较少,现有的研究往往集中于振动和噪声的计算和测量。但是永磁电机结构复杂多样,机壳和端盖的存在都会造成机械振动参数如刚度、阻尼和固有频率难以准确计算；消声室中测量得到声功率级是电磁噪声,机械噪声和空气动力噪声的叠加,往往难以区分,此外电机能量中只有非常小的一部分转化为声能,因此从振动和噪声的角度分析永磁电机并提出抑制振动噪声的措施面临巨大的挑战。电磁噪声来源于电磁振动,电磁振动则是由电机气隙磁场作用于电机铁心产生的激振力波所激发,因此本文从引起电磁振动和噪声的根源即激振力波入手,分析对永磁电机振动噪声起主要作用的低阶激振力波,通过抑制激振力波来实现削弱永磁电机电磁振动和噪声的目标,主要工作有以下几个方面：采用解析法推导了负载条件下永磁电机激振力波的解析表达式。永磁电机中的磁势为永磁体旋转磁势与定子电枢磁势之和。根据叠加原理并忽略气隙磁场的饱和,气隙磁通密度等于磁势与磁导的乘积,利用Maxwell Tensor公式得到作用于定子电枢内表面的径向力密度的解析表达式。对激振力波的分析表明：永磁电机激振力波的阶数r可以表示为Ap+BZ的形式,即与永磁电机的极对数和电枢槽数有关；激振力波的幅值不仅与电机的结构参数如永磁体的参数、气隙的大小相关,还与永磁磁势与电枢反应磁势的夹角Φ即永磁电机的控制方式密切相关；负载时会产生与空载时不同频率的激振力波,这些频率为特定倍数的电源频率,因此会产生这些频率的振动和噪声，这就为永磁电机振动噪声的辨识提供了理论基础。永磁电机的控制方式多种多样，不同的运行模式使得定子电枢电流差别很大从而造成与永磁体磁势相互作用的电枢磁势差别较大，而且现有研究表明永磁电机额定负载时产生噪声仅比空载时高20%。因此为了得到不同工作方式永磁电机的电磁力波的共性规律，本课题的研究重点放在永磁电机的空载激振力波的分析与优化。首先研究了永磁电机定子结构参数对主要激振力波的影响，得到了激振力波幅值随槽口宽度和斜槽率的变化规律。通过对分数槽永磁电机空载激振力波的分析，提出了在定子齿上开辅助槽以削弱低阶激振力波的方法。采用有限元数值计算气隙磁密和力密度的分布，通过空间和时间两次傅里叶分解分别得到不开辅助槽和开辅助槽后不同阶数的激振力波频谱，验证了所提出方法的准确性和有效性。通过分析转子上永磁体的结构参数对永磁电机激振力波的影响，提出了相应的抑制主要激振力波的优化方法。首先推导了瓦片型永磁体径向充磁和平行充磁时旋转磁势的解析表达式，计算不同极弧系数时激振力波的幅值，分析表明通过合理选择永磁体的极弧系数可以有效的削弱主要激振力波的幅值。此外推导得到了偏心磁极永磁体充磁方向厚度的解析表达式，提出了采用偏心磁极削弱激振力波的方法，建立了最佳磁极偏心距的选择方法。对于永磁体设计和安装过程中有可能发生的永磁体不严格对称的情况进行了研究，分析表明当一对极下两永磁体的极弧系数不同时会产生低阶激振力波，引起较大的振动和噪声，因此在永磁电机的制造过程中要尽量保证永磁体的精度。研究了转子偏心对永磁电机空载激振力波的影响。基于等效剩磁的方法，利用标量磁位所满足的微分方程和场量所满足的边界条件提出了转子偏心气隙磁场的解析计算方法，在该方法的基础上分析了不同阶数空载激振力波幅值随偏心率的变化规律，结果表明转子偏心时不仅对电磁转矩有较大影响，同时会产生低阶激振力波，从而产生较大的振动和噪声。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究目的及意义
• 1.2 本领域的研究现状
• 1.2.1 电励磁电机的振动和噪声
• 1.2.2 永磁电机的振动和噪声
• 1.2.3 转子偏心对电磁振动和噪声的影响
• 1.3 本文的研究工作
• 第二章 永磁电机激振力波解析分析方法研究
• 2.1 永磁电机电磁振动噪声产生原理
• 2.1.1 能量传递过程
• 2.1.2 激振力波
• 2.1.3 定子固有振动特性
• 2.1.4 声辐射
• 2.2 永磁电机激振力波的解析分析方法
• 2.2.1 永磁旋转磁动势
• 2.2.2 定子绕组磁动势
• 2.2.3 气隙磁导
• 2.2.4 激振力波解析表达式
• 2.3 解析法分析空载激振力波的准确性验证
• 2.3.1 空载激振力波分析
• 2.3.2 有限元分析
• 2.4 本章小节
• 第三章 永磁电机定子结构参数对电磁振动噪声的影响
• 3.1 基于辅助槽的分数槽永磁电机激振力波削弱方法
• 3.1.1 分数槽绕组
• 3.1.2 分数槽永磁电机空载激振力波抑制方法
• 3.1.3 辅助槽法的有限元验证
• 3.2 定子槽口宽度对激振力波的影响
• 3.2.1 与定子槽口宽度相关的激振力波分量
• 3.2.2 电磁声功率级与激振力波随槽口宽度变化规律
• 3.3 斜槽对空载电磁噪声的影响
• 3.3.1 斜槽时的空载激振力波
• 3.3.2 空载声功率级随斜槽的变化
• 3.4 机壳对永磁电机空载声功率级的影响
• 3.5 本章小节
• 第四章 永磁电机转子结构参数对电磁振动和噪声的影响
• 4.1 基于极弧系数选择的空载激振力波削弱方法
• 4.1.1 不同充磁方式时的永磁磁动势
• 4.1.2 极弧系数对空载电磁噪声的影响
• 4.1.3 激振力波的有限元分析
• 4.2 基于偏心磁极的空载激振力波削弱方法
• 4.2.1 偏心磁极永磁磁动势的傅立叶分解
• 4.2.2 合理选择偏心距削弱主要激振力波
• 4.2.3 激振力波的有限元验证
• 4.3 不等极弧系数组合对电磁噪声的影响
• 4.3.1 不同极弧系数时的激振力波和电磁噪声
• 4.3.2 激振力波的有限元分析
• 4.4 本章小节
• 第五章 转子偏心对永磁电机电磁振动和噪声的影响
• 5.1 基于等效剩磁法的永磁体等效
• 5.1.1 永磁体的等效
• 5.1.2 等效剩磁的傅立叶分解
• 5.2 考虑齿槽时偏心气隙磁场计算
• 5.2.1 不考虑齿槽时的气隙磁密
• 5.2.2 齿槽对偏心气隙磁场计算的影响
• 5.2.3 磁场计算的有限元验证
• 5.3 气隙偏心对空载激振力波和电磁噪声的影响
• 5.3.1 气隙偏心时的空载激振力波
• 5.3.2 不考虑齿槽时的偏心激振力波的有限元分析
• 5.4 本章小节
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表