王建淞

(大慶宏偉慶化石油化工有限公司,黑龍江大慶 163000)

0 引言

隨著永磁材料、現(xiàn)代電機理論、電子電力技術(shù)的快速發(fā)展,1970年德國研發(fā)成功了永磁無刷電機,不久之后,各國開始研究永磁直流無刷電機,比如美國GM,日本Fanuc,德國Simens等,因電機具有調(diào)速范圍寬,機械性能好,結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,應(yīng)用在汽車領(lǐng)域,工業(yè)自動化設(shè)備領(lǐng)域,電動自行車領(lǐng)域以及高精密醫(yī)療器械領(lǐng)域等[1]。永磁直流無刷電機作為關(guān)鍵部件,已成為研究熱點。但與發(fā)達國家還存在一定差距,噪聲是電機一個重要指標,1996你那我國頒布關(guān)于環(huán)境電氣設(shè)備噪聲污染防治法,隨著電機應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴展,該指標的重要性也越來越凸顯。同時電機振動噪聲也會影響設(shè)備的使用壽命,因此,本文開展對永磁無刷直流電機振動噪聲分析,研究抑制噪聲方法。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

英國Sheffield大學的教授諸自強是最早研究永磁電機、與其控制系統(tǒng)和振動產(chǎn)生噪聲的特性之間的關(guān)系的其中一位學者。1993年期間,他應(yīng)用解析計算方法算出永磁直流電機中的無刷電機的瞬間狀態(tài)磁場的分布,并以此對開路及電樞反應(yīng)場、定子的齒槽反應(yīng)以及負載下磁場的反應(yīng)等四種情況進行推導(dǎo)[2]。

法國的學者在1995年間對有電流和無電流的諧波振動和轉(zhuǎn)矩的脈動的實驗進行計算中發(fā)現(xiàn)三相的不對稱,電流對切向的脈動存在較大影響,對徑向的振動存在較小的影響。2000年,芬蘭的學者對同步電機磁場產(chǎn)生的振動與噪聲的力源進行研究,同步發(fā)電機內(nèi)電磁場產(chǎn)生的引起振動與噪聲的來源,采用有限元與時步的方法對電機中的電磁場進行解析計算,麥克斯韋張量的計算方法應(yīng)用在定子的鐵芯內(nèi)的徑向分布,解析徑向的頻譜,與所測電機的噪聲進行互相比較。

2006年,沈陽工大設(shè)立了增加了時間的矩陣,并加入計算機電耦合,針對電機轉(zhuǎn)子和定子的動態(tài)特性耦聯(lián)作為整體,對其噪聲與振動的性質(zhì)進行針對性的研究。傳統(tǒng)理論中電機力波的頻率即為其固有的頻率,發(fā)生共振噪聲。2001年,意大利通過二維的電磁場進行系統(tǒng)分析,使定子的永磁體兩端部成菱形形態(tài),使電機轉(zhuǎn)矩的脈動減少,噪聲也對應(yīng)減少。2002年,日本松下對表面式的永磁電機進行增加其氣隙的長度,使其氣隙中的徑向應(yīng)力更平滑,減少電機的噪聲;2009年,哈工大的研究證明用噪聲測試來分析電機的脈動相關(guān)問題是合理且有效的。通過噪聲與電機的頻率關(guān)系, 能夠精準地確定噪聲和振動的來源。

2 解析分析

一般情況,兩種永磁直流電機(即有刷直流和無刷直流)相比,因為規(guī)避了電刷與換向器之間的磨擦,所以噪聲不認為是主要存在的問題。但經(jīng)過實踐驗證,永磁無刷電機在一些特殊的狀態(tài)下會產(chǎn)生比較大的噪聲,這是因為無刷電機用交流電經(jīng)過整流進行供電,紋波會變大;用里外圓弧形一樣的曲率制作永磁體中的瓦形片,使其磁場分布為梯形,供電的電流采用方波供電,正弦波與電勢電流存在較大差異,從而產(chǎn)生波動造成切向和徑向的振動,導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲。

電磁所產(chǎn)生的噪聲主要源于電磁振動,而振動則是由電機的氣隙磁場作用在電機的鐵心所產(chǎn)生的電磁力所引發(fā)的。定子的繞組磁勢和永磁磁勢以及氣隙磁導(dǎo)決定了氣隙磁場。定子的鐵心上所產(chǎn)生的磁力分為兩組分量為切向和徑向。噪聲主要來源是由于徑向分量可使鐵心發(fā)生振動并變形;噪聲次要來源是由于切向分量與電磁轉(zhuǎn)矩形成相反的作用力,使芯齒對其根部變彎,從而產(chǎn)生局部的振動以及變形。

永磁電機中的無刷電機,主磁通沿著徑向進入電機氣隙,對定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向力,從而使電磁發(fā)生振動進而產(chǎn)生噪聲。在電機不對稱或是在單相電機這種場合,產(chǎn)生切向的振動會變大,致使與電機相連的部件產(chǎn)生共振,進而產(chǎn)生噪聲。因此首先要對氣隙中的磁通密度分布進行分析,其密度分布用磁勢乘磁導(dǎo)的方法進行計算。

氣隙磁勢f(θ,t)與磁導(dǎo)λ(θ,t)的乘積為

b(θ,t)=f(θ,t)λ(θ,t)

(1)

經(jīng)過傅里葉級數(shù)進行分解,μ次主極磁場的諧波磁密幅值Bμ

(2)

得出空載的氣隙磁場公式

(3)

電機徑向力波公式

(4)

3 有限元分析

電機工作時,由于氣隙中徑向電磁力作用,使得定子鐵心和機座產(chǎn)生周期性振動,產(chǎn)生脈動噪聲。一般低次諧波的容易產(chǎn)生徑向變形,故研究五次以下的徑向力波對電磁噪聲影響。

3.1 極槽配合

針對4極結(jié)構(gòu),6槽、12槽、24槽、36槽四臺電機建立二維結(jié)構(gòu)圖,通過有限元計算電機磁密分布,見圖1、圖2、圖3、圖4。

圖2 12槽電機云圖

圖3 24槽電機云圖

圖4 36槽電機云圖

然后計算磁密諧波分布,見表1,對比結(jié)果可以得出,6槽電機因為為分數(shù)槽結(jié)構(gòu),噪聲要大于12槽、24槽、36槽的整數(shù)槽振動噪聲。

表1 電磁噪聲值

3.2 極弧因素

極弧因數(shù)是電機設(shè)計中的一個重要的參數(shù),正確的應(yīng)用電機極弧因數(shù)可以有效的削減甚至清除氣隙磁密諧波。對4極6槽的無刷電機極弧因數(shù)影響進行噪聲分析,在電機鐵心長度不變但因數(shù)變化的情況下,對定子繞組的線圈數(shù)進行調(diào)整來維持反電動勢大致不變,極弧因數(shù)對噪聲產(chǎn)生的影響如表2所示。

表2 不同極弧系數(shù)下噪聲值

表3是保持定子繞組數(shù)不變,調(diào)動氣隙的長度使電機在不同因數(shù)狀態(tài)下,反電動勢保持不變,電磁產(chǎn)生的噪聲變化如表3所示。從表2中可以看出,在永磁體的厚度與氣隙的長度都保持不變的情況下,電機的噪聲明顯增加,從表3中可以看出,在磁體厚度保持不變的情況下,其因數(shù)增大了,氣隙長度也同時增大,減弱了電機氣隙諧波,同時降低了電磁的噪聲。

表3 不同極弧系數(shù)和氣隙長度下噪聲值

3.3 永磁體

從表4中可以看出,磁體磁化方向上的長度與氣隙長度等比例變動時, 隨磁化方向上的長度的變大,氣隙的磁密值增加了,但電機氣隙的磁密波的畸變概率也相應(yīng)降低了,電磁的噪聲也明顯降低,由此看出電機諧波的磁場被減弱了。所以,磁體磁化方向上的長度與氣隙長度等比例變動時,磁化方向上長度的變化對電磁噪聲產(chǎn)生的影響要弱于氣隙長度的變化對電磁噪聲產(chǎn)生的影響。

表4 基波磁密與波形畸變率

從表5中可以看出,隨著δ/δmin的增大,電磁產(chǎn)生的噪聲值逐漸變大。雖然氣隙磁的密形度更好,電機的效率也增高了,但電磁產(chǎn)生的噪聲值也隨之變大了。從表6中可以看出, 隨著δ值的增大,電磁產(chǎn)生的噪聲值有所降低,但磁體中間部分的厚度也降低了,所以會相應(yīng)加大磁體的厚度,這就導(dǎo)致磁體的使用量變大。

表5 噪聲值

表6 永磁體形狀與噪聲值關(guān)系

3.4 定子槽

槽口為半開槽口,從裝配工藝方面來說,一般以電機繞組易嵌入為準,因為,槽口不僅會影響氣隙諧波,還會影響齒槽轉(zhuǎn)矩,槽口寬度對電磁噪聲影響的計算結(jié)果如下圖5,可以看出,隨著槽口寬度增加,電磁噪聲正比例增加。槽口高度對電磁噪聲影響,有限元計算結(jié)果如圖6,隨著高度增加,電磁噪聲在降低。

圖5 槽口寬度與電磁噪聲關(guān)系

圖6 槽口高度與電磁噪聲關(guān)系

4 結(jié)語

本文以4極永磁無刷直流電機為研究對象,對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行分析,從公式解析法和有限元分析法兩方面對永磁無刷直流電機進行計算,分析了極槽配合、極弧因素、永磁體以及定子槽尺寸對永磁無刷直流電機噪聲影響規(guī)律,從而獲得在保證電機性能前提下,抑制噪聲方法。