永磁电机内的电磁力及其谐波

定子电磁力影响研究

电机中的定子电磁噪声主要受两方面的因素影响，电磁激振力和相应激振力引起的结构响应及声辐射，以下对引起噪声的定子电磁力的解析表达及相应的振动和声辐射的研究情况进行综述。

英国谢菲尔德大学的Z.Q.Zhu教授等运用解析法对永磁电机定子电磁力及其噪声进行研究，对永磁无刷电机电磁力进行理论研究，对10 极 9 槽的永磁无刷直流电机的振动噪声进行研究，理论上研究了电磁力与定子齿宽间的关系，同时分析了转矩脉动与振动噪声优化结果间的关系。   沈阳工业大学的唐任远教授、宋志环提供了完整的解析方法研究永磁电机内的电磁力及其谐波，为进一步的永磁电机噪声理论研究提供了理论支持。围绕正弦波和变频器供电的永磁同步电机进行电磁振动噪声源的分析，对气隙磁场、法向电磁力和振动噪声的特征频率进行研究，产生转矩脉动的原因进行分析，其次运用有限元对转矩脉动进行仿真并加以实验验证，同时分析了不同槽极配合情况下的转矩脉动，以及气隙长度、极弧系数、削角、槽口宽度等对转矩脉动的影响。   电磁径向力和切向力的模型，并进行了相应的模态仿真，对电磁力和振动噪声响应进行了频域分析和声辐射模型的分析，并进行了相应的仿真和实验研究，其指出永磁电机定子主要模态如图所示。  

永磁电机主要模态

电机本体结构优化技术

电机中主磁通大致上沿径向进入气隙，并在定子和转子上产生径向力，从而引起电磁振动和噪声。同时，它产生切向力矩和轴向力，引起切向振动和轴向振动。在很多场合，如电机不对称或单相电机中，所产生的切向振动很大，容易引起与电机相连的部件共振，产生辐射噪声。为了计算电磁噪声，并分析和控制这些噪声，必须知道他们的来源，即产生振动和噪声的力波。为此，通过气隙磁场的分析，进行电磁力波的分析。   假设定子所产生的磁通密度波为,转子产生的磁通密度波为，则它们在气隙中合成磁通密度波可表示如下：

定、转子开槽、绕组分布、输入电流波形畸变、气隙磁导波动、转子偏心、相同不平衡等因素均会导致机械变形进而引发振动。磁动势的空间谐波、时间谐波、槽谐波、偏心谐波以及磁饱和等均会产生力和转矩的高次谐波。尤其是交流电机中的径向力波，它会同时作用于电机的定子和转子上并产生磁路畸变。   定子——机座和转子——外壳结构是电机噪声的主要辐射源。如果径向力接近或等于定子——基座系统的固有频率，则将产生共振，这会导致电机定子系统的形变并产生振动和声学噪声。   在大多数情况下，由低频2f、高阶的径向力所引起的磁致伸缩噪声可忽略不计（f为电机的基波频率，p是电机极对数）。但是，磁致伸缩引起的径向力可以达到气隙磁场引起的径向力的50%左右。   对于由逆变器驱动的电机，由于其定子绕组的电流中存在高次时间谐波，而时间谐波会产生附加的脉动转矩，这些附加转矩通常要比空间谐波产生的脉动转矩大。此外，整流单元产生的电压纹波也会通过中间电路传递至逆变器，产生另一种脉动转矩。   就永磁同步电机的电磁噪声而言，麦克斯韦力和磁致伸缩力是造成电机振动和产生噪声的主要因素。

电机定子振动特性

电机的电磁噪声除了与气隙磁场产生的电磁力波频率、阶数和幅值有关之外，还与电机的结构固有模态有关。电磁噪声主要由电机定子及壳体的振动产生。因此，提前通过理论公式或仿真预估定子的固有频率，并将电磁力频率和定子固有频率错开，是减小电磁噪声的有效手段。   当电机径向力波频率与定子的某阶固有频率相等或相近时，就会引起共振。此时，即使径向力波的幅值不大，也会导致定子较大的振动，进而产生较大的电磁噪声。对电机噪声而言，最重要的是研究以径向振动为主、轴向阶数为零，空间振型六阶以下的固有模态，如图所示。  

定子振动形式

在分析电机振动特性时，由于阻尼对电机定子的模态振型和频率影响有限，可不予考虑。结构阻尼是通过应用高能量耗散机理去降低共振频率附近的振动级，如图所示，只在共振频率或接近共振频率时需考虑。  

阻尼的影响

定子添加绕组后，铁芯槽内的绕组表面经过清漆处理，绝缘纸、清漆和铜线互相附着，而且槽内的绝缘纸与铁芯的齿也紧贴在一起。因此，槽内绕组对于铁芯具有一定的刚度贡献，不能单纯地作为附加质量处理。在采用有限元法进行分析时，有必要根据齿槽内绕组的材料求出表征各类机械性能的参数。工艺实施时应尽量保证浸漆的质量和提高线圈绕线的张力、提高绕组与铁芯配合的紧密程度，增大电机结构的刚度，提高固有频率从而避免共振，减小振动幅值，降低电磁噪声。   定子压入壳体后的固有频率与单定子铁芯有一定的差异，壳体能明显提高定子结构的固频，尤其是低阶固频，但壳体本身会产生一些局部模态，使共振的转速工作点增多，增大了电机设计时避免共振的难度。电机设计时应尽量减小壳体结构的复杂程度，并可通过适当提高壳体厚度等措施来提高电机结构的固有频率，避免共振的发生。另外，在采用有限元预估时合理设置定子铁芯与壳体的接触关系是非常重要的。

电机电磁分析

磁密作为电机电磁设计的重要指标，通常能反应电机的工作状态。因此我们首先提取和查看磁密值，第一是为了验证仿真的准确性，第二是为了后续电磁力的提取提供一个依据。提取电机磁密云图如下图所示。  

从云图上可以看出，隔磁桥位置磁密远高于定转子铁芯BH曲线的拐点，能够起到比较好的隔磁效果。  

气隙磁密曲线   提取电机气隙及齿部位置的磁密，绘制曲线，可以看出电机气隙磁密和齿部磁密的具体数值。齿部磁密距离材料拐点有一定距离，推测是设计时考虑电机高转速的时候铁耗过高所致。

电机模态分析

基于电机结构模型和网格，定义材料，定子铁芯定义为结构钢，机壳定义为铝材料，对电机整体进行模态分析。得到电机整体模态如下图所示。  

一阶模态振型  

二阶模态振型  

三阶模态振型

电机振动分析

电机的谐响应分析，得到各个转速下振动加速度的结果如下图所示。  

1000Hz径向加速度

1500Hz径向加速度

2000Hz径向加速度

审核编辑 ：李倩