多相異步電機(jī)電磁噪聲研究

唐劍飛 王林

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室，武漢 430064)

0 引言

相比普通三相電機(jī)，多相電機(jī)具有噪聲小、能缺相運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。但隨著相數(shù)增多，電機(jī)的電磁場的有限元分析變得越發(fā)復(fù)雜。有限元法能較好地解決電磁場計(jì)算中的通用性與精確性的問題。通過設(shè)定電機(jī)的模型、材料屬性、激勵(lì)、初始狀態(tài)等條件后，可以通過有限元方法計(jì)算出該電機(jī)任意時(shí)刻的運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而分析電機(jī)的噪聲情況。由于所研究異步電機(jī)無通風(fēng)道設(shè)計(jì)，使用二維（2D）有限元已經(jīng)可以滿足計(jì)算精度，故文中所涉及的異步電機(jī)的仿真是利用Ansoft軟件[1]中的Maxwell 2D求解的。

1 空載條件下的電機(jī)電磁場分析

以某型雙Y移30°六相電機(jī)為例，仿真時(shí)其外電路設(shè)置如圖1所示。

通過處理穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電機(jī)電磁場，得到氣隙磁密徑向分量如圖2所示。

圖1 外電路設(shè)置

通過仿真可以得到某型樣機(jī)在繞成3相或6相，在不同短距比條件下空載氣隙磁場的徑向分量頻譜，如圖3至圖6所示。

對比圖3至圖6可以看出，在定子結(jié)構(gòu)相同，相數(shù)不同或節(jié)距不同時(shí)，諧波的主要成分相同。在三相電機(jī)的氣隙磁密中含有明顯的 5、7次等6k±1次諧波，而六相電機(jī)的氣隙磁密中則含有明顯的11與13次等12k±1次諧波。當(dāng)短距比不同時(shí)，電機(jī)對應(yīng)諧波的幅值不同。在所給出的四種短距比中，短距比為5/6對應(yīng)的三相電機(jī)的5、7次諧波幅值最小，而短距比為 11/12對應(yīng)的六相電機(jī)氣隙磁場中的11與13次諧波幅值最小。通過對氣隙磁場進(jìn)行計(jì)算[2]，可以得到樣機(jī)在不同條件下氣隙磁密頻譜與定子鐵芯所受徑向力頻譜，見圖7、圖8。對比圖7與圖8可以看出，在定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)采用近槽設(shè)計(jì)后氣隙電磁場以及徑向力波的構(gòu)成無明顯變化。

圖2 氣隙磁密的徑向分量

圖3 短距比為3/4時(shí)磁密頻譜（a為三相，b為六相）

圖4 短距比為5/6時(shí)磁密頻譜（a為三相，b為六相）

圖5 短距比為11/12時(shí)磁密頻譜（a為三相，b為六相）

圖6 短距比為1時(shí)磁密頻譜（a為三相，b為六相）

圖7 轉(zhuǎn)子槽數(shù)為45時(shí)氣隙磁密頻譜與定子鐵芯所受徑向力頻譜

圖8 轉(zhuǎn)子槽數(shù)為47時(shí)氣隙磁密頻譜與定子鐵芯所受徑向力頻譜

所受徑向力頻譜，在對不同條件下頻譜圖進(jìn)行分析后可以得到與磁場分析大體相同的結(jié)論。因此，從減小諧波含量以減小電機(jī)噪聲的角度考慮，當(dāng)電機(jī)繞成三相時(shí)，短距比應(yīng)取為 5/6，而電機(jī)繞成六相時(shí)，短距比應(yīng)取為11/12。

利用相同方法得到定子繞組繞成六相、轉(zhuǎn)子槽數(shù)為 45和47、短距比為 11/12時(shí)氣隙磁密徑向分量頻譜與定子鐵芯所受徑向力及對應(yīng)頻譜如圖7與圖8。

2 負(fù)載對電機(jī)定子鐵心所受力波的影響

當(dāng)異步電機(jī)由空載過度到負(fù)載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化不大，但隨著負(fù)載的變化，轉(zhuǎn)子電流會(huì)發(fā)生較大變化，從而引起氣隙磁場變化[3]，最后導(dǎo)致電機(jī)噪聲相與空載時(shí)存在較大差別。另一方面，轉(zhuǎn)子電流增加會(huì)使作用在定子上的作用力變大，導(dǎo)致定子振動(dòng)位移加大，進(jìn)而增加電機(jī)噪聲[4]。圖9為樣機(jī)繞制成六相、短距比為 5/6時(shí)，不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩條件下通過Ansoft分析得到的電機(jī)定子鐵芯所受徑向力頻譜。其中 a、b、c、d分別對應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0 N·m（空載）、20 N·m、40 N·m與54.2 N·m（滿載）條件下的仿真結(jié)果。

圖9 不同負(fù)載條件下定子鐵心所受徑向力頻譜

通過對比可以看出，隨著負(fù)載的增加，電機(jī)鐵心受到的各次徑向力幅值出現(xiàn)了不同程度的增長，因此負(fù)載條件下，電機(jī)所發(fā)出的電磁噪聲將會(huì)高于空載下的噪聲值。正常工作的電動(dòng)機(jī)都是帶載運(yùn)行的，有必要研究電機(jī)的負(fù)載噪聲抑制方法。

3 結(jié)束語

本文利用 Asoft軟件，對不同短距系數(shù)與不同轉(zhuǎn)子槽數(shù)條件下的空載及負(fù)載時(shí)的電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真。利用仿真得到的電磁場數(shù)據(jù)計(jì)算了不同條件下氣隙磁密徑向分量頻譜與定子所受徑向力頻譜，并對各頻譜的構(gòu)成進(jìn)行了分析。

對比得出了為減小氣隙磁場的諧波含量，三相電機(jī)的短距比應(yīng)選擇 5/6，而六相電機(jī)的短距比應(yīng)選擇 11/12的結(jié)論。根據(jù)電磁場數(shù)據(jù)計(jì)算出了不同條件下氣隙磁場的徑向分量頻譜與定子所受徑向力頻譜，并對各頻譜的構(gòu)成進(jìn)行了分析。通過分析空載與不同負(fù)載條件下的電機(jī)磁場數(shù)據(jù)，得出了負(fù)載會(huì)增加氣隙磁場徑向分量及定子鐵芯所受電磁力中所含的諧波的幅值，進(jìn)而會(huì)增加電機(jī)噪聲。

[1]劉國強(qiáng), 趙凌志, 蔣繼婭. Ansoft工程電磁場有限元分析[M]. 北京, 電子工業(yè)出版社, 2005: 92-97.

[2]陳永校, 諸自強(qiáng), 應(yīng)善成. 電機(jī)噪聲的分析和控制[J]. 山東科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 19(3): 80-82.

[3]王益紅. 異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載噪聲分析[J]. 山東科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 19(3)：80-82.

[4]祝長生, 陳永校. 變頻器供電的三相異步電機(jī)的噪聲特性[J]. 中小型電機(jī), 1997, 24(5): 9-12.