超低速永磁直驱电机振动噪声研究

1国内外研究现状

文献[1]设计了一台低速大转矩永磁轮毂电机,其样机有限元模型如图1所示。作者利用有限元法对漏磁、气隙以及极弧系数等因素进行分析并得出结论:采用分数槽集中绕组结构可以有效减弱高次谐波,改善电动势波形,降低齿槽转矩,并提高端部空间利用率。此外,文章对样机进行了计算和实验测试,额定负载运行时转矩为955N.m,转矩波动约为3.8%。

文献[2]研究了一种双定子永磁直驱电机(简称DS—PMDDM),结构如图2所示,其在保持电机体积不变的条件下,增加了输出转矩。文章详细阐述了电机的基本理论和设计原理,并通过有限元法对性能和温升进行了计算与分析,结果显示该电机的输出转矩明显提高。

贾宇琪创新性地设计了一种名为低速大功率模块组合式定子永磁电机(简称MCSLSHP—PMM)的新型电机^[3],其结构示意图如图3所示。该设计巧妙地采用了不等跨距绕组,并依据一套独特的拆分原则来选定极相组,进而将庞大的电机定子分解为多个定子模块。这一技术上的突破有效解决了大型电机因其巨大的定子尺寸而带来的制造、加工及运输方面的困难,不仅大幅简化了电机生产过程,还显著提升了电机运行的稳定性和易维护性。为了实际验证这一设计的实用性,贾宇琪成功制造了一台包含3个定子模块的样机,其额定功率高达12 kw。一系列实验表明,该样机在空载和负载条件下均表现出色。这一研究为大型永磁电机的设计与制造提供了新的思路和解决方案。

Xing等人提出了一种新颖的电磁振动削弱策略,其核心在于优化定子槽参数^[4]。为实现定子槽参数的最优化,xing等人巧妙地融合了深度神经网络与免疫克隆算法,构建出一个高效的优化模型。为验证这一方法,xing等人以一台6极36槽的永磁同步电机为例进行了深入研究,如图4所示。应用此方法对定子槽参数进行优化,目标是降低电机在六阶固有频率附近的振动加速度,从而减少噪声和振动对电机性能的影响。仿真结果表明,优化后的电机在空载状态下,其最大振动加速度降低了4.1%;而在额定负载条件下,降低幅度更是高达36.8%。这为电机振动控制提供了新的思路和技术手段。

Hiroshi Murakami、Hisakazu Kataoka和Yukio Honda等学者运用了一种创新性方法来有效降低永磁同步电机的电磁振动噪声,他们采取增加定子齿厚度的策略(图5),成功减小了径向电磁力(这是导致电磁振动噪声的主要因素之一),从而显著降低了电机的振动和噪声。改进后的定子结构在降低振动、噪声方面具有显著效果。然而,经有限元仿真分析,发现了一个需要权衡的新问题:虽然该方法成功减少了20个百分点的径向电磁力,并显著降低了电磁振动、噪声,但同时也观察到电磁转矩相应下降。因此,在实际工程设计中,需要综合考虑振动、噪声和电磁性能的需求,根据具体情况合理取舍,以达到最佳的设计效果^[5]。

2 永磁同步电机电磁力分析

本文以一台800 kw、40 r/min的超低速大转矩永磁同步电机为研究对象,重点分析在额定工况与空载工况下的气隙磁密和径向电磁力密度。样机基本参数如表1所示,首先,利用Maxwell 2D软件,建立60极72槽永磁同步电机的二维模型(图6),其磁钢结构为内置切向式。随后,在进行了深入的理论分析和模型建立之后,为进行后续的电磁场分析和计算,对二维模型进行了网格剖分。这一过程是数值模拟中的关键环节,网格质量直接影响到计算结果的准确性和精度。为满足实际工程的需求并确保计算的精确性,决定采用手动剖分的方式对网格进行更为精细的处理。特别是在电机的齿部区域,由于这里的电磁场变化较为复杂,因此对网格进行了加密处理。由图7可以清晰地看到网格剖分后的效果。

永磁同步电机的气隙磁密是一个复杂的物理量,它既是时间的函数也是空间的函数。为了更深入地研究气隙磁密的空间分布特性,选取某一特定时间点,并沿着气隙圆周路径对磁密进行了仿真分析。同时,为了更贴近实际工作状况,对定子绕组加载了电流。图8展示了额定工况下永磁同步电机电枢磁场的径向气隙磁密分布情况。从图中可以看出,磁密在气隙圆周路径上呈现出正弦波分布。图9为额定工况下径向气隙磁密的傅里叶分解结果。

由图8可见,电枢磁场的径向气隙磁密整体呈正弦波分布,其中峰值达到2.06 T,波峰和波谷处存在的明显波动通常是定子开槽所致。由图9的傅里叶分解结果可知,基波幅值为1.42 T,其中谐波次数主要为奇数次。

图10为电机空载时径向气隙磁密分布,整体呈正弦波分布,其中峰值达到1.75 T。图11为电机空载时径向气隙磁密傅里叶分解结果,由结果可知,基波幅值为1.44 T,谐波次数主要为奇数次。

在空载条件下对永磁同步电机进行仿真分析得 到的径向电磁力密度随空间位置的变化曲线,是了解电机性能的重要指标。

图12展示的曲线提供了关于径向电磁力密度分布的关键信息,从图中可以明显观察到,径向电磁力密度的波形在一个电周期内展现出类似正弦波的特征。进一步观察波形中出现的周期性波峰和波谷,可以确定这是定子开槽对气隙磁密产生影响的直接体现。定子开槽是为了嵌放绕组,但这些槽口会导致气隙中的磁场发生周期性变化。当磁场通过槽口时,由于磁阻变化,磁场强度会在槽口附近发生突变,从而在径向电磁力密度的波形上产生明显的波峰和波谷。

电机的电磁力是随时间变化的,图13展示了靠近永磁体的气隙中某一点的径向电磁力密度随时间变化的曲线。为了深入分析这些动态特性,可以通过傅里叶分解将时域信号转换为频域信号。

图14是通过傅里叶分解得到的径向电磁力密度在不同频率下的幅值分布。图中,0 Hz对应的电磁力密度幅值代表直流分量,即不随时间变化的部分。直流分量通常对电机的振动、噪声影响较小,因为它不产生动态的力或振动。其他频率下的电磁力密度幅值较大的主要有40、80、120Hz等,都是电机频率的偶数倍。在这些频率中,40 Hz(电机频率的2倍)对应的径向电磁力密度谐波幅值最大,因此可能是影响电机振动、噪声的主要因素。

图15展示了永磁同步电机在负载状态下的径向电磁力密度曲线,其与空载状态相比确实存在一些显著的区别:曲线顶部和底部更为尖锐,峰值更高。

这一变化的原因在于,当电机处于负载状态时,磁场不仅由永磁体产生,还受到电枢绕组产生的磁场的共同影响。这种复合作用使得气隙磁密在负载时高于空载状态,进而导致了径向电磁力密度曲线的变化。具体来说,负载时电枢绕组产生的磁场与永磁体磁场相互作用,增强了整个气隙中的磁通密度。这种增强效应在曲线的顶部和底部尤为明显,表现为更加尖锐的特征。同时,由于磁通密度的整体提升,曲线的峰值也随之增高。

通过相同的方法,在电机负载状态下,在靠近永磁体的气隙中选取特定点来观察径向电磁力密度随时间的变化,图16展示了负载状态下该点径向电磁力密度随时间变化的分布曲线。与空载状态相比,负载时该点的径向电磁力密度波动更为显著。

进一步地,通过对图16中的曲线进行快速傅里叶分解,得到了图17所示不同频率下的径向电磁力密度幅值分布。从图中可以观察到,负载状态下的各峰值频率与空载时大致相同,主要集中在40、80、120Hz 等电机频率的偶数倍。然而,与空载相比,负载时的峰值更高。其中,除了40、80、120Hz这些主要频率 外,负载状态下还出现了60、140、180 Hz等新的频率 成分,且这些频率下的径向电磁力密度幅值也较大。不过,这些额外频率主要集中在低频段,因此它们对永磁电机的振动、噪声影响相对较小。

3结论

本文通过对超低速大转矩永磁同步电机的振动、噪声进行分析,研究了对永磁同步电机影响最大的径向电磁力,确定了电磁力的谐波次数及频率,电磁力的频率为电机频率的偶数倍,并且对电机振动、噪声影响最大的是40 Hz的电磁力。

[参考文献]

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[3]贾宇琪.模块组合式定子低速大功率永磁电机研究[D].

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《机电信息》2025年第11期第10篇