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【核心论文研读】圆方永磁直流电机电磁噪声分析
2018-09-30浏览244

 

 

引言

       噪声根源的识别是噪声改善的前提和依据,对于传统的圆筒形永磁直流电机,其电磁噪声根源为电磁径向力,由于圆方电机特殊的圆方外形,其电磁振动噪声的根源亦有别于传统圆筒形电机,对于圆方永磁电机的电磁振动和噪声的研究尚属空白,需在理论模型建立和分析的基础上对其噪声根源进行系统化研究。

普遍认为电磁径向力是传统圆筒永磁电机振动和噪声主要的引发根源。但圆方永磁电机的几何结构及电磁特征,使得不仅电磁径向力,而且电磁切向力对振动和噪声也有很大贡献。本章首先对圆方永磁直流电机的振动噪声机理进行分析,指出电机中定、转子间的电磁相互作用,产生旋转力波或脉动力波,使定子产生旋转和振动。旋转力波或脉动力波,可以分解为径向力和切向力,电磁激振径向力波会使机壳产生相应方向的振动模态,从而导致电磁振动和噪声。对圆方永磁电机的振动机理分析表明,在圆方永磁直流电机中,定、转子间的电磁相互作用,同样地产生旋转力波或脉动力波可分解为径向力和切向力,圆方永磁电机定子受到的径向力和切向力又可分解为垂直于定子表面的纵向力和平行于定子表面的水平力,其中纵向力是产生电机振动噪声的主要根源,由于径向力和切向力都可以分解出相应的纵向力,进而产生振动和噪声,所以对圆方永磁电机而言,其振动噪声是径向力和切向力共同作用的结果,这与圆筒永磁直流电机振动噪声来自径向力的作用这一业界共识有很大不同。

 

 

 

 

01

圆方电机定子电磁噪声机理及其特殊性研究

根据声辐射原理,永磁直流电机只有定子符合声辐射元件的要求,即薄壁大平面的条件,所以永磁直流电机定子为主要的声辐射元件,无论是转子还是定子中的电磁力都需要通过定子来辐射电磁噪声。

产生振动噪声需要激振力和相应的应变,对于圆筒永磁直流电机,存在定子电磁径向力和切向力两种电磁激振力,由于在固有频率上的振动噪声响应最大,所以是否有相应方向上的应变响应还需要对定子本身结构特性进行模态分析。

在进行模态分析前首先介绍模态分析即固有频率阶次的定义,以区别电磁激振力中的阶次,模态是结构系统的固有振动特性,线性系统的自由振动被解耦合为 N 个正交的单自由度振动系统,对应系统的 N 个模态。将线性系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标,使方程组解耦,成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程,以便求出系统的模态参数。坐标变换的矩阵为模态矩阵,有限元模态分析的本质是求该矩阵的特征值问题,所以阶数就是指特征值的个数,将特征值从小到大排列就是阶次。

由于实际的电机定子有无数个阶次,其模态也是无数个,但对振动噪声响应较大的主要是前几阶的模态。

圆方一阶振动模态表明圆方永磁电机电磁径向力会产生相应方向的应力和应变,从而产生相应的振动和噪声。与圆筒电机不同的是,圆方永磁直流电机电磁切向力也会在圆方铁壳上施加相应方向的应力,在此应力的作用下可能产生相应方向的应变,从而产生相应的振动和噪声。

综上所述,对于圆筒永磁直流电机,存在电磁径向力和切向力,且模态响应在径向力的方向占主要成分,对于圆方永磁直流电机,在电磁径向力和切向力方向均存在相应方向的模态阶次,所以电磁径向力和切向力共同产生了电机的噪声。但是以上分析只能定性的对电机的噪声根源进行预测,如果定量及确定电机的噪声根源尚需进一步详细的理论、有限元及实验研究。

02

定子仿真分析

依次经过以下各步骤进行仿真分析:

  • 电机定子电磁径向力和切向力分析

  • 不考虑齿槽效应的气隙磁密

  • 考虑齿槽影响的气隙磁密及电磁力

  • 考虑齿槽影响的气隙磁密径向分量及切向分量

  • 考虑电枢反应的气隙磁密及电磁力

  • 电磁径切向力密度及其分量分析

  • 圆方电机振动波和声辐射

  • 圆方电机定子电磁力噪声仿真分析

  • 定子电磁力有限元分析

  • 电磁振动谐响应分析

  • 圆方永磁电机一阶振动模态有限元分析

  • 圆方永磁电机二阶振动模态有限元分析

  • 电磁声辐射有限元分析

 由模态分析可知,电机的第一阶固有频率(5303Hz),第二阶固有频率(6186Hz)。由理论、模态和电磁力有限元分析结果可知,42 阶电磁径向力可能是产生一阶噪声的主要根源,56 阶电磁切向力可能是产生二阶噪声的主要根源,为进一步验证该结论,分别将电磁力有限元仿真得到的 42 和 56 阶电磁径切向力施加到第一、二阶固有频率上,进行仿真分析。 

03

转子电磁力对圆方电机噪声的影响

      虽然已经对定子电磁力与噪声的关系进行了系统研究,但为了进一步分析电机噪声与电磁力之间的关系,必须对转子电磁力与噪声的关系进行理论、仿真及实验研究。传统的圆筒电机转子的电磁径向力是其噪声的主要根源,对于圆方电机其定子结构不同,但转子结构与传统电机类似,本文对比分析两种电机噪声与转子电磁力之间的关系。

首先建立转子电磁力的理论模型,在此模型基础上,提出并建立了圆方永磁电机的转子电磁力,模态及谐响应有限元模型,证明转子电磁径向力的 14阶次谐波激发了转子第一阶弯曲固有频率的共振,转子转矩脉动及其28 阶谐波未激发扭转固有频率共振,且对弯曲固有频率振动的影响相对于径向力可以忽略,利用有限元方法去印证圆方永磁电机的振动噪声的主要根源是转子电磁径向力及其谐波。通过实验验证转子电磁径向力的 14 阶次谐波激发转子第一阶弯曲固有频率的共振,转子转矩脉动及其 28 阶次谐波未激发扭转固有频率共振,印证有限元分析的结果,即圆方永磁电机在一阶固有频率点的振动噪声主要根源是电机转子的径向力及其谐波。

      本文摘编自齐发云博士论文的部分段落,供大家学习研究。论文所有版权归齐发云及其授权人所有。特此声明。


 

 

 

 

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