張 欣,何家俊,吳 超

(天津工業(yè)大學,天津 300387)

0 引 言

隨著電氣設(shè)備在各行各業(yè)的應(yīng)用，電機噪聲問題越來越引起人們的關(guān)注，因此研究低噪聲、高效率的節(jié)能電機是非常迫切和必要的。永磁同步電機的噪聲一般由三部分組成:空氣動力性噪聲、機械性噪聲和電磁噪聲[1-2]。永磁同步電機在高速運行過程中，空氣動力學和機械噪聲占主導地位；在中低速度運行下，電機發(fā)出的振動噪聲的主要來源是電磁噪聲。電磁噪聲的大小與定子繞組磁勢空間諧波，電源中的時間諧波，轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心以及電動機的功率、極數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)。在減少電機振動和機電噪聲的排放方面，采用了各種技術(shù)來優(yōu)化電機[3]。本文主要針對永磁同步電機的電磁噪聲進行研究。

本文在介紹抑制電機噪聲工作原理的基礎(chǔ)上，對電機本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、磁致伸縮力等在電機降噪方面近年來的研究進行梳理和分析，通過如何有效地優(yōu)化電機本體結(jié)構(gòu)和減小磁致伸縮力對電機的影響，為進一步開展抑制永磁同步電機的振動噪聲的相關(guān)研究工作，提供部分參考。

1 基于電機本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化(降低激振力)

目前，永磁同步電機的振動大多是以氣隙徑向電磁力波、控制系統(tǒng)、定子模式和響應(yīng)作為切入點來進行剖析和研究[4-6]。

1.1 降低電機徑向力

永磁電機在運行過程中，由于低次數(shù)徑向力會使定子鐵心隨時間變化而產(chǎn)生周期性的形變，因此電機會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。如何降低電機的徑向力是有效抑制電機振動噪聲的一個重要方法與研究方向。

對引起電機振動噪聲的徑向力進行研究，通過實驗測得徑向力波的階次數(shù)越低，電機鐵心的彎曲形變程度就越大，振動噪聲越大；并且電機定轉(zhuǎn)子極數(shù)越多，產(chǎn)生的噪聲振動就越小。此外，實驗中發(fā)現(xiàn)在同步電機運行期間，當所給激勵頻率與永磁同步電機的轉(zhuǎn)子和定子固有頻率出現(xiàn)重合時，就會產(chǎn)生比較大的振動噪聲。因此，要有效抑制電機的振動噪聲，可以采用降低激振力和改變固有頻率兩種方法[7]。

一般的優(yōu)化模態(tài)只能使固有頻率發(fā)生不大的偏移幅度，無法較好地的實現(xiàn)抑制電機噪聲的目的，因此降低轉(zhuǎn)子和定子之間相互徑向作用力，優(yōu)化電機本體結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。對此，文獻[8-10]提出利用優(yōu)化定子和轉(zhuǎn)子尺寸，來防止電磁力頻率和定子固有頻率共振，減小定轉(zhuǎn)子重疊區(qū)域的面積，進而可以比較有效地抑制電機電磁噪聲。

與優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)進而定性地改變電機徑向力相比，文獻[11]提出定量分析轉(zhuǎn)子定子徑向力，在此基礎(chǔ)上，進一步有效地減小電機徑向力。永磁同步電機定子和轉(zhuǎn)子諧波相互作用產(chǎn)生力波振幅P:

(1)

比徑向力P0:

(2)

定子鐵心表面的振動速度v:

(3)

式中：Bv為定子諧波，Bu為轉(zhuǎn)子諧波，f為諧波頻率，zc為定子機械阻抗。

由式(1)～式(3)可知，在保持定子機械阻抗zc不變的情況下，降低P0，從而降低定子鐵心表面的振動速度，這樣就可以實現(xiàn)抑制電機振動噪聲的目的[7]。

在優(yōu)化電機定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、減小徑向力的基礎(chǔ)上，減小電機轉(zhuǎn)矩脈動可以進一步抑制電機的振動噪聲。文獻[12]提出了相應(yīng)的電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，可以有效抑制一部分由電機轉(zhuǎn)矩脈動和徑向電磁力所引起的振動噪聲，例如：建議減小電機軸承的支撐距離，用以增加支撐剛度；適度合理地調(diào)整電機定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以盡可能地減小電磁力頻率和定子固有頻率共振，減小定轉(zhuǎn)子重疊區(qū)域面積可以進一步地減小電機振動噪聲[12]。除此之外，還可以在永磁同步電機轉(zhuǎn)子之間填充一種絕緣的非導磁膠體，可以減少電機轉(zhuǎn)子磁漏，在一定程度上使得轉(zhuǎn)子受到的空氣阻力減小，且能有效地減少轉(zhuǎn)矩脈動[9]，進而實現(xiàn)降低電機噪聲的目的。

1.2 減小電機諧波幅值

不同次的電機諧波相互作用及其與永磁同步電機定子側(cè)諧波相互作用，也是永磁同步電機噪聲產(chǎn)生的一個重要原因。改變定子齒極槽配比和定子線圈采用正弦繞組的方式可以較大程度上減少電機諧波，實現(xiàn)抑制振動噪聲的目的。正弦繞組是利用適當?shù)姆椒▉碚{(diào)整同步電機繞組在電機鐵心中的分布結(jié)構(gòu)，加上改變電機的極槽配合，達到電機繞組基波系數(shù)最大，而其他各次諧波最小[14]。

針對不同類型的永磁同步電機可以采用不同的方法來減小電機諧波。對于低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機，多數(shù)可以采用改變定子齒極槽配比的方法。這種方法可以減少電機共振范圍內(nèi)主要0階力波次數(shù)，減少共振點，以減小定子齒諧波幅值，從而實現(xiàn)減少電機振動噪聲的目的[13]。對于高速永磁電動機，則主要采用不同定子線圈正弦繞組的方法來抑制電機的振動噪聲。適當?shù)恼依@組方式可以改變電機的極槽配合，減少電機諧波對電機振動的影響，從而提高電機效率，抑制電機的振動噪聲，減少電能消耗[14]。例如：單相電機可以采用不等匝數(shù)的正弦繞組，三相電機則可以按照不同的需求，設(shè)計不同的定子槽數(shù)、每極不同的正弦繞組來減少電機諧波，實現(xiàn)抑制電機振動噪聲的目的[15]。

在電機實際使用過程中，不同的開關(guān)頻率在電機電磁激勵中也會引起諧波，開關(guān)頻率越低，磁噪聲幅值越低。文獻[16] 提出的開關(guān)頻率避免了PWM激勵力和相應(yīng)的定子模式之間的共振，從而在起動期間降低了電磁噪聲。

因此，通過選擇合適的電機極對數(shù)，調(diào)整齒和槽的幾何形狀，使用合適的電機繞組配置，較低的開關(guān)頻率可以最大限度地減少同步電機中的電磁諧波，減少振動，達到抑制噪聲的目的[17]。但是在降低開關(guān)頻率的同時，電機控制的穩(wěn)定性就會降低，電機的可靠性也會有所下降。

1.3 平衡轉(zhuǎn)子

在電機運行期間，電機轉(zhuǎn)子的不平衡也是使轉(zhuǎn)子和電機產(chǎn)生振動噪聲的一個重要原因。做好轉(zhuǎn)子動平衡，減少電機與轉(zhuǎn)子的振動，可以有效降低電機振動噪聲。轉(zhuǎn)子端面上裝配一個平衡塊，該平衡塊可調(diào)節(jié)質(zhì)量和質(zhì)心來改變電機的轉(zhuǎn)動慣量，從而減小電機振動幅度，實現(xiàn)減小電機噪聲的目的[18]。

2 考慮磁致伸縮效應(yīng)降噪

就永磁同步電機的電磁噪聲而言，麥克斯韋力和磁致伸縮力是造成電機振動和產(chǎn)生噪聲的主要因素。

2.1 磁致伸縮及其影響

麥克斯韋力主要存在于氣隙中。磁致伸縮是指磁疇在外部磁場的影響下，磁化方向趨向于一致，朝一個方向轉(zhuǎn)向，導致磁性材料會在某個方向上產(chǎn)生伸長或縮短的現(xiàn)象，也會使內(nèi)部產(chǎn)生磁致伸縮應(yīng)力[21]。磁致伸縮力會使磁化材料的尺寸發(fā)生變化[19]。在對永磁電機進行振動噪聲分析的實驗中，實驗數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，考慮磁致伸縮效應(yīng)的永磁電機振動噪聲的分析值大致等于實際電機振動噪聲值，比只考慮電磁力時更接近實測值[20-21]。利用廣義磁彈性三維有限元模型來計算電磁振動，結(jié)果證明永磁同步電機電磁振動是由電磁力和磁致伸縮效應(yīng)共同引起的[22-23]，并且磁致伸縮引起的電機振動與磁致伸縮應(yīng)變成正比，振動加速度和噪聲隨著電機頻率的增加而增加[24-25]。因此磁致伸縮力是造成振動和噪聲的主要來源之一，在進行電機降噪時磁致伸縮力是不可忽略的。

同步電機定子鐵心是由許多硅鋼片疊壓而成，磁致伸縮效應(yīng)使定子鐵心產(chǎn)生振動和形變，進而導致電機產(chǎn)生振動噪聲[26-28]。

在交流電機中，電機疊片鐵心考慮硅鋼片的磁致伸縮效應(yīng)，進行磁-機械分析，其振動方程可以表示:

(4)

式中:Mm為質(zhì)量矩陣，Cm為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，u(t)為節(jié)點的位移[6]。

2.2 建立模型分析磁致伸縮力

目前,國內(nèi)外學者對磁致伸縮力在電機中引起振動噪聲的研究已取得一定的成果。對磁致伸縮的分析研究大多借助于數(shù)值計算方法，針對不同的研究對象可以采用磁-機械全耦合或單向耦合的方法進行分析[6,29-30]。

文獻[31]提出了一種計算旋轉(zhuǎn)電機在磁致伸縮和磁力學耦合作用下振動的方法，計算表明磁致伸縮對振動都有影響，而磁力耦合只有在大型定子中才會顯著。文獻[30]、文獻[32-33]建立了磁機械系統(tǒng)耦合分析的一般模型，計算節(jié)點的磁致伸縮力，研究了磁致伸縮力對定子鐵心引起的振動噪聲。文獻[19]提出考慮磁致伸縮各向異性，可以提高感應(yīng)電動機的形變、振動和噪聲預測的交流效率。各向異性磁致伸縮對負載條件下鐵心的局部和全局形變和振動的影響也是另一個需要研究的課題。各種模型分析了磁致伸縮力的影響和特性，為通過減小磁致伸縮力來降低永磁電機電磁噪聲提供了思路。

2.3 減小磁致伸縮力的降噪方法

在永磁同步電機中，怎樣使麥克斯韋力和磁致伸縮力相互抵消，進而降低兩者引起的電磁噪聲是一個重要的研究方向?；谶@個思想，文獻[34]介紹了一種磁雙晶的概念，用以控制電機定子齒的磁致伸縮，從而使電機的磁致伸縮力的作用和麥克斯韋力的影響相互抵消。這導致目標振動模式的凈電磁激勵為零，降低了電機的振動和由此產(chǎn)生的噪聲。

磁致伸縮效應(yīng)使定子磁軛尺寸在水平和垂直方向上發(fā)生周期性變化，引起定子鐵心的形變，進而造成電機定子鐵心振動，產(chǎn)生電磁噪聲。文獻[35]分析了定子鐵心由于磁致伸縮力所產(chǎn)生的形變，提出通過優(yōu)化電機定子結(jié)構(gòu)，例如適度地增加定子軛厚[36]，來實現(xiàn)抑制由磁致伸縮效應(yīng)所產(chǎn)生的永磁電機振動噪聲，實驗結(jié)果證明這種方法可以減小一部分的振動噪聲。

隨著材料學的高速發(fā)展，越來越多的軟磁材料被發(fā)現(xiàn)，并且逐步應(yīng)用在生活生產(chǎn)中。在不改變永磁電機固有形態(tài)的基礎(chǔ)上，利用軟磁材料的特性來抵消磁致伸縮效應(yīng)引起的定子鐵心振動和形變的方法，越來越受到關(guān)注。文獻[37]提出了在電機定子上打孔，在孔中填補與硅鋼片磁導率和電阻率性能基本一致的軟磁復合材料，利用負磁致伸縮形變，抵消定子鐵心正磁致伸縮形變，減小電機定子形變引起的振動，從而達到了降噪的目的。除此之外，文獻[6]提出采用疏導的方法，在變壓器搭迭間隙填充高磁導率軟磁復合材料來抑制電磁噪聲，這為永磁同步電機的電磁噪聲抑制研究提供了很好的參考方向。但是二維磁致伸縮的分布并不一定與最大磁通量密度矢量的分布相同[28,38]，應(yīng)用軟磁材料之后，電機的磁致伸縮力分布也會有所變化，需要充分考慮這前后的磁場變化。

永磁電機工作在非線性電壓條件下時，大量的諧波會導致由磁致伸縮效應(yīng)引起的振動噪聲值有所增加[39]。磁致伸縮效應(yīng)引起的振動是顯著的，并且產(chǎn)生的電機振動噪聲的幅值與電機工作頻率和轉(zhuǎn)速有關(guān)[33,35,39-42]。在諧波磁場下，隨著諧波比重的增加，硅鋼片由磁致伸縮效應(yīng)所引起的噪聲隨之增大，從而加大電機鐵心產(chǎn)生的振動噪聲[43]。因此，降低電機諧波比重，增加基波比重是降低電機噪聲的一個有效方法。

永磁電機在運行時，定子鐵心會有損耗，文獻[33]提出了一種鐵心損耗計算方法，考慮到鐵心損耗計算中的三維應(yīng)力。應(yīng)力曲線波動很大，應(yīng)力峰值隨諧波頻率的增加而明顯增加，徑向應(yīng)力和圓周應(yīng)力在電機鐵心的不同部位表現(xiàn)出不同的特性[36,43]。實驗數(shù)值結(jié)果表明，因為收縮配合應(yīng)力的存在，定子鐵心的損耗顯著增加，壓縮應(yīng)力下鐵耗的劣化率隨著磁致伸縮力的減小而降低[43]，通過降低磁致伸縮對應(yīng)力的依賴性，減小徑向速度的高次諧波。這種提高收縮配合應(yīng)力的方法，雖然可以適量地減小振動噪聲，但卻增大了電機鐵心損耗，因此在降低電機噪聲的同時，如何減小鐵心損耗是需要深入研究的。

3 降低空氣動力性噪聲

在減少空氣動力噪聲方面，傳統(tǒng)的方法有：加裝消音器，使用全封閉隔聲罩、消聲坑，采用加強筋式鋁材外殼，鐵心采用各種夾緊的處理，嚴格控制定轉(zhuǎn)子裝配工藝，提高風扇設(shè)計和風路設(shè)計的合理性等，但不適當?shù)膴A緊措施可能引起更大的噪聲[2,4,6]。

文獻[44]詳細分析了電機運行過程中會產(chǎn)生噪聲的各個零件，改進相關(guān)零件的設(shè)計，可達到降低電機噪聲的目的。

4 總結(jié)與展望

隨著對電機降噪需求的逐年增加，國內(nèi)外學者對電機噪聲的來源、分析及降噪方法都開展了深入研究。

本文從不同方向?qū)τ来磐诫姍C降噪方面的研究進行了系統(tǒng)全面的梳理，在分析電機噪聲來源的基礎(chǔ)上，著重從優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)降低電機徑向力，減小電機諧波和降低電機磁致伸縮力等方面，總結(jié)了電機降噪的研究現(xiàn)狀；針對不同電機的結(jié)構(gòu)特點，分析了如何合理優(yōu)化電機的結(jié)構(gòu)，研究通過減小磁致伸縮力來抑制電機噪聲的方法。然而，關(guān)于電機降噪的實際應(yīng)用方面尚存在一些問題，亟待開展深入的研究。

(1) 優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)可以在一定程度上降低電機徑向力和電機諧波，成功抑制部分電機振動噪聲。但是，一般的優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)很難完美地避開徑向力的頻率；在降低開關(guān)頻率時也會使電機的穩(wěn)定性和可靠性隨之下降。因此，設(shè)計一種可以在最大程度上避開徑向力的頻率并且能夠保證電機的穩(wěn)定性和可靠性的電機優(yōu)化結(jié)構(gòu)，是一個很好的研究課題。

(2) 對磁致伸縮力的研究比較多，但是利用減小磁致伸縮力來抑制電機振動噪聲的研究比較少。軟磁復合材料的研究與應(yīng)用比較少，如目前并沒有合適的軟磁復合材料可以填充在鐵心打孔的位置，而且一些軟磁復合材料很容易氧化，因此，若要比較理想地抑制由磁致伸縮力所引起的永磁同步電機振動噪聲，還亟需相關(guān)材料學的研究與發(fā)展。