爪極電機(jī)電磁噪聲特征研究與分析

邢正坤,胡 龍

(1.河北工業(yè)大學(xué),天津 300130;2.吉林大學(xué),長(zhǎng)春 132000)

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爪極電機(jī)電磁噪聲特征研究與分析

邢正坤1,胡 龍2

(1.河北工業(yè)大學(xué),天津 300130;2.吉林大學(xué),長(zhǎng)春 132000)

電機(jī)噪聲與振動(dòng)是衡量電機(jī)性能的重要指標(biāo)，能夠影響電機(jī)的使用壽命，因此研究電磁噪聲特征具有較大意義。首先，利用Maxwell 3D建立有限元分析模型，計(jì)算徑向電磁力。將時(shí)域數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行頻譜分析，獲取電磁力波相關(guān)頻域特性數(shù)據(jù)。然后，應(yīng)用有限元法分析定子模態(tài)以及諧響應(yīng)分析，得出電機(jī)的振動(dòng)位移響應(yīng)。最后將振動(dòng)位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入LMS Virtual.Lab聲學(xué)邊界元模塊中計(jì)算電磁噪聲頻率響應(yīng)。本文方法可用于電機(jī)設(shè)計(jì)階段對(duì)電機(jī)的電磁噪聲特性進(jìn)行估算,進(jìn)而優(yōu)化電機(jī)的設(shè)計(jì)。

電磁噪聲;徑向電磁力;模態(tài)分析;諧響應(yīng)分析;聲學(xué)邊界元

0 引 言

分析電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲是衡量一臺(tái)電機(jī)工藝的主要手段[1]。電機(jī)振動(dòng)不僅影響電機(jī)的使用壽命，而且是電機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲的主要因素。同時(shí)，由一系列不同頻率和強(qiáng)度的聲波無(wú)規(guī)律疊加組合成的噪聲能夠直接影響人的身體健康，當(dāng)人處于高噪聲環(huán)境或不間歇地處于噪聲中會(huì)導(dǎo)致人的生理功能損壞，例如聽力衰減[2]。

相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)電機(jī)的振動(dòng)噪聲分析相對(duì)較少。文獻(xiàn)[3]提出一種使用有限元法分析感應(yīng)電機(jī)電磁力波的基本方法。文獻(xiàn)[4]采用了有限元法計(jì)算了異步電機(jī)的徑向電磁力,并探究了電磁力與電機(jī)固有頻率的關(guān)系以及電機(jī)的振動(dòng)特性。文獻(xiàn)[5]應(yīng)用有限元法研究了開關(guān)磁阻電機(jī)電磁力波的時(shí)域特性和頻域特性。文獻(xiàn)[6]對(duì)車用永磁電機(jī)的電磁噪聲進(jìn)行了研究，并對(duì)電機(jī)定子鐵心的固有頻率和振動(dòng)特性進(jìn)行了分析和研究，避免電機(jī)發(fā)生電磁共振。文獻(xiàn)[7]使用聲學(xué)邊界元法計(jì)算分析了電機(jī)的聲場(chǎng)并進(jìn)行試驗(yàn)分析。文獻(xiàn)[8]研究了鼠籠電機(jī)的聲學(xué)邊界元模型并進(jìn)行聲輻射計(jì)算，而且通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[9]對(duì)爪極發(fā)電機(jī)的電磁及振動(dòng)特性和噪聲進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn)[10]使用有限元法對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的電磁振動(dòng)特性和噪聲進(jìn)行了分析研究。

本文將一臺(tái)爪極永磁發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，主要研究了電機(jī)電磁力波的計(jì)算、定子結(jié)構(gòu)模態(tài)分析與振動(dòng)噪聲計(jì)算。本論文的工作內(nèi)容如下：①建立電機(jī)的電磁場(chǎng)有限元分析模型。利用Maxwell對(duì)電機(jī)進(jìn)行氣隙電磁場(chǎng)仿真與計(jì)算，得出電磁力波空間-時(shí)域數(shù)據(jù)；②利用MATLAB處理Maxwell仿真得出來(lái)的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，得出電磁力波頻譜、相位圖。將電機(jī)定子3D模型導(dǎo)入Workbench模態(tài)分析模塊進(jìn)行固有模態(tài)分析；③利用Workbench諧響應(yīng)分析模塊，將電磁力加載到定子鐵心各個(gè)齒面，得出電機(jī)振動(dòng)位移響應(yīng);④利用LMS Virtual.Lab聲學(xué)邊界元分析模塊，將有限元模型轉(zhuǎn)化為聲學(xué)模型，然后計(jì)算電機(jī)電磁噪聲。

1 爪極發(fā)電機(jī)的電磁力波計(jì)算

本文分析爪極電機(jī)的相關(guān)物理結(jié)構(gòu)、電磁參數(shù)如表1所示。圖1為爪極電機(jī)三維模型。

表1 爪極發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

圖1 爪極電機(jī)三維模型

爪極電機(jī)氣隙磁場(chǎng)沿圓周具有徑向?qū)ΨQ性，為了降低模型計(jì)算量、縮短仿真運(yùn)行時(shí)間，故而將模型簡(jiǎn)化為一對(duì)極進(jìn)行計(jì)算。圖2為模型簡(jiǎn)化后的定子網(wǎng)格劃分。

圖2 定子網(wǎng)格劃分

為了保證模型的完整性，除了需要建立電機(jī)3D模型，還需要對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)外部連接電路。本文對(duì)外電路作了改進(jìn)，采用Maxwell Circuit Editor設(shè)計(jì)了帶有等效CDI點(diǎn)火線圈的外電路，具體電路如圖3、圖4所示。

其中照明電路部分參數(shù)，由運(yùn)行RMxprt得到；點(diǎn)火線圈部分器件參數(shù)如圖4所示。如此將外電路

圖3 外電路照明電路部分

圖4 外電路點(diǎn)火線圈部分

與三維模型相聯(lián)系便得到完整的有限元模型，便可進(jìn)行一步計(jì)算。

在電機(jī)定子與氣隙兩種材料接觸面上產(chǎn)生的不均勻分布力,基于麥克斯韋應(yīng)力張量方程，作用在爪極電機(jī)定子齒內(nèi)表面上單位面積徑向電磁力為:

(1)

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率;Fn為徑向電磁力;Bt為切向磁密;Br為徑向磁密。

經(jīng)過后處理得到氣隙徑向磁通磁密空間分布如圖5所示，徑向電磁力氣隙的空間分布如圖6所示。

圖5 徑向氣隙磁通密度空間分布圖

圖6 徑向氣隙電磁力(單位面積)空間分布圖

電磁力又是時(shí)間分布的，徑向電磁力氣隙的時(shí)間分布如圖7所示。

圖7 徑向氣隙電磁力(單位面積)時(shí)間分布圖

徑向電磁力主要作用于電機(jī)定子齒面而導(dǎo)致定子振動(dòng)從而產(chǎn)生電磁振動(dòng)噪聲，本文在每個(gè)定子齒面上下部分分別繪制一個(gè)正方形，并求出每個(gè)齒面正方形單位面積上受到的徑向電磁力，并將其等效于每個(gè)定子齒面上下部分受到的平均力，圖8為定子齒面離散圖[9]。

圖8 定子齒面離散圖

每個(gè)齒面受到的平均電磁力為Fxy,Fx2y，其中x表示X軸正方向第幾個(gè)定子齒，y=1表示定子上部分、y=2表示定子下部分，x2表示X軸負(fù)方向第幾個(gè)定子齒。在場(chǎng)計(jì)算器中輸入每個(gè)定子齒面的上下部分的平均徑向電磁力公式：

(2)

利用該公式對(duì)每個(gè)齒面上的正方形進(jìn)行求解，則可得到Fxy,Fx2y。圖9為F11的平均力波變化曲線，經(jīng)計(jì)算幅值較大的電磁力波為低階波，這里我們只取第二階做分析，其他類似。F11二階電磁力(單位面積)的幅值為102Pa相位為242.4°，其余平均電磁力在此不加敘述。

圖9 F11電磁力(單位面積)

選擇不同極槽配合作為研究對(duì)象，對(duì)比對(duì)電磁力波的影響，在原有2對(duì)極、24定子槽的基礎(chǔ)上建立了2對(duì)極、12定子槽的爪極電機(jī)。徑向電磁力如圖10所示，對(duì)比圖 6可知在減少定子槽數(shù)后徑向電磁力峰值更大、同時(shí)具有脈沖性質(zhì)，這意味著改變后的電機(jī)定子齒某一空間會(huì)承受巨大的壓力，使得對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)的要求更高。

圖10 徑向電磁力(單位面積)空間分布圖

2 爪極發(fā)電機(jī)定子固有頻率模態(tài)分析

模態(tài)分析是一種研究系統(tǒng)振動(dòng)特性的近代方法，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的每一模態(tài)都具有其固定的振動(dòng)模型、振動(dòng)頻率與阻尼比。一般物理結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)可以由數(shù)值計(jì)算或者實(shí)體試驗(yàn)來(lái)獲得，如果采用有限元法獲得模態(tài)參數(shù)則為數(shù)值模態(tài)分析，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析則是用一定的分析方法把實(shí)驗(yàn)獲得的輸入、輸出數(shù)據(jù)創(chuàng)建聯(lián)系。

通用的運(yùn)動(dòng)方程如式(3)[11]。

(3)

(4)

(5)

2.1 定子的模態(tài)分析

本文采用有限元法對(duì)模型進(jìn)行了模態(tài)分析，其模型如圖11所示。

圖11 爪極電機(jī)定子鐵心

因定子鐵心是由硅鋼片疊壓而成，不能直接用硅鋼片密度設(shè)置定子鐵心密度，還要考慮疊片對(duì)材料密度的影響，因此定子鐵心密度應(yīng)設(shè)為疊壓系數(shù)與硅鋼片材料密度的乘積。定子鐵心材料屬性取值如表2所示。

表2 定子鐵心材料屬性表

圖12為定子鐵心前6階振型云圖，表3為前6階振型對(duì)應(yīng)的頻率。

表3 定子鐵心振型頻率表

(a)0階振型(b)2階振型(c)3階振型(d)4階振型(e)5階振型(f)6階振型

圖12 定子鐵心前6階振型云圖

3 爪極發(fā)電機(jī)振動(dòng)分析與噪聲計(jì)算

3.1 電磁振動(dòng)分析

本文應(yīng)用模態(tài)疊加法求解定子的振動(dòng)響應(yīng)。因?yàn)樵贛axwell中處理得到的是定子齒面上單位面積上受到的電磁力波，所以施加負(fù)荷為壓強(qiáng)。利用將MATLAB中對(duì)各個(gè)齒面壓強(qiáng)的頻譜分析得到的幅值、相位數(shù)據(jù)加載到定子齒面，便完成了負(fù)荷施加，所有定子齒面施加負(fù)荷后的效果如圖13所示。

圖13 諧響應(yīng)負(fù)荷加載

對(duì)模型分析后，求解位移、加速度諧響應(yīng)結(jié)果。圖14、圖15分別為電機(jī)諧響應(yīng)位移隨頻率變化圖和加速度變化圖。從圖14可以看出，在2 500Hz到2 750Hz之間位移幅值達(dá)到峰值，從而可以預(yù)測(cè)此階段電磁力波頻率與定子結(jié)構(gòu)固有頻率發(fā)生了共振，這是因?yàn)榕c模態(tài)分析定子的固有頻率2600Hz處具有振動(dòng)振型相近。在2 600Hz左右位移數(shù)據(jù)最大，從而可以預(yù)測(cè)2 600Hz時(shí)的各個(gè)齒面上的電磁力波普遍幅值較大，此時(shí)電磁噪聲最大。

圖14 諧響應(yīng)位移變化曲線

圖15 諧響應(yīng)加速度變化曲線

3.2 電磁噪聲分析

本節(jié)利用LMSVirtual.Lab仿真電機(jī)的電磁噪聲特性，首先把Workbench諧響應(yīng)分析有限元網(wǎng)格在FiniteElementModeler中轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)MSVirtual.Lab中電機(jī)定子結(jié)構(gòu)模型，其次將結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格提取出電機(jī)的聲學(xué)表面網(wǎng)格，最后將提取的表面網(wǎng)格進(jìn)一步粗化得到最后的聲學(xué)邊界元網(wǎng)格[9]。圖16為粗化前后的電機(jī)網(wǎng)格模型。

因此，面對(duì)紛繁復(fù)雜、喧嘩混亂的現(xiàn)狀，人們應(yīng)增強(qiáng)“尋獲安靜”的自覺。即使外部環(huán)境一時(shí)難于安靜，也要努力營(yíng)造寧?kù)o的小環(huán)境，像大學(xué)就應(yīng)筑上一個(gè)“靜”的圍城，而決不可火上加油，增添雜亂。就個(gè)人來(lái)說，要不為世俗的欲望所惑，努力保持內(nèi)心的明凈與寧?kù)o。有名家說：“缺少了寂寞就不可能有真正的幸福?！边@里的所謂“寂寞”，就是能保持自己內(nèi)心的寧?kù)o，不為各種浮華的喧鬧所迷惑與裹挾。

圖16 粗化前后的電機(jī)網(wǎng)格

將諧響應(yīng)分析得到的振動(dòng)位移數(shù)據(jù)作為聲學(xué)分析的邊界條件，進(jìn)行聲場(chǎng)響應(yīng)的計(jì)算，由于電機(jī)的聲學(xué)邊界元網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的單位尺寸、單元密度與節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)都不一致，故而需要對(duì)導(dǎo)入的振動(dòng)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，建立起振動(dòng)數(shù)據(jù)與有限元網(wǎng)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。之后，需要添加一個(gè)聲學(xué)網(wǎng)格，并且由于實(shí)際上在半消音室中測(cè)量電機(jī)噪聲時(shí)在地面上有光滑的地板反射聲音，故而在仿真時(shí)需要在電機(jī)下方添加一個(gè)全放射平面，如圖17所示。再對(duì)一些基本的聲學(xué)分析項(xiàng)進(jìn)行定義便可以計(jì)算電機(jī)聲場(chǎng)響應(yīng)(設(shè)置邊界條件等)，并且通過在場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格上設(shè)置一系列場(chǎng)點(diǎn)。通過場(chǎng)點(diǎn)計(jì)算后便可以觀察這些場(chǎng)點(diǎn)的聲壓隨頻率的變化曲線圖。

圖17 發(fā)電機(jī)電磁噪聲仿真模型

通過仿真計(jì)算，圖18為場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格上4個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的變化曲線。從圖18可以看出發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁噪聲聲壓級(jí)在2 600Hz共振頻率附近達(dá)到峰值，而一旦越過此峰值聲壓級(jí)成單調(diào)衰減，也就是說電機(jī)產(chǎn)生的電磁噪聲為低頻聲波，且減小電磁噪聲可從以下部分入手：

(1)由于各場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)不同，因此可以將易受聲波干擾的物體定向安裝在特定的位置，使得其受到的聲壓輻射最小。

(2)在發(fā)電機(jī)升速的過程中能產(chǎn)生使電機(jī)發(fā)生共振的電磁力的轉(zhuǎn)速時(shí),以最短的時(shí)間越過此轉(zhuǎn)速。

(3)添加適當(dāng)?shù)淖枘崞骷?，使得聲壓?jí)快速衰減。

圖18 場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)變化曲線

改變定子槽數(shù)的電機(jī)采用同樣的處理后得到同頻率段范圍內(nèi)的電磁噪聲聲強(qiáng)變化如圖19所示。

圖19 不同槽數(shù)場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)變化曲線

從圖19可得改變極槽配對(duì)后電機(jī)電磁噪聲聲壓級(jí)明顯降低，從而有效降低低頻范圍內(nèi)的電機(jī)噪聲。此外，由于改變極槽配對(duì)后定子結(jié)構(gòu)的固有頻率顯著提升，而高階電磁力波的頻率增長(zhǎng)速度又明顯慢于固有頻率的增長(zhǎng)，因此可以說適當(dāng)?shù)母淖儤O槽配對(duì)能夠有效地改變發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁噪聲。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)軟件建立了完整的三維電磁場(chǎng)分析模型，得到爪極發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)及徑向電磁力波，求得定子齒面上下部分的平均電磁力的幅值、相位和階次。

(2)對(duì)定子固有模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算。基于模態(tài)疊加將徑向電磁力加載到相應(yīng)的定子齒面上做諧響應(yīng)分析，研究了發(fā)電機(jī)的振動(dòng)變形情況。2 600 Hz左右位移數(shù)據(jù)最大，可以預(yù)測(cè)2 600 Hz時(shí)的各個(gè)齒面上的電磁力波普遍幅值較大，此時(shí)電磁噪聲最大。2 600 Hz和定子固有頻率相近時(shí)噪聲最大。

(3)對(duì)電機(jī)電磁噪聲原理理解基礎(chǔ)上，通過對(duì)外電路增加點(diǎn)火線圈改變電磁力特性，以及適當(dāng)?shù)馗淖儤O槽配對(duì)，能夠有效地改變發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁噪聲。

(4)對(duì)電磁噪聲進(jìn)行了聲場(chǎng)輻射分析?？梢栽陔姍C(jī)設(shè)計(jì)階段預(yù)估出電磁噪聲性能,進(jìn)而優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)。

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Study and Analysis of Electromagnetic Noise Characteristics of Claw Pole Motor

XINGZheng-kun1,HULong2

(1.Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Jilin University,Changchun 132000,China)

Motor noise and vibration as the important indicators of a motor performance, can affect the using time limit of the motor, so making the study characteristics of the electromagnetic noise is quite significant. First of all,using the Maxwell 3D finite element analysis model was established, and calculating the radial electromagnetic force, the spectrum analysis transforms the data into MATLAB to obtain the electromagnetic wave frequency domain characteristics of relevant data.Then, the finite element method was used to analyze the stator modal and harmonic response analysis, the vibration displacement response of the motor were obtained. Finally the vibration displacement data import LMS Virtual. Lab acoustic boundary element in the module calculating electromagnetic noise frequency response.The method can be used in the design of motor phase estimation of electromagnetic noise characteristics of the motor, and then optimize the design of the motor.

electromagnetic noise; radial electromagnetic force; modal analysis; harmonic response analysis; acoustics boundary element

2015-06-23

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)研究技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2016045)

TM35

A

1004-7018(2016)07-0017-04

邢正坤( 1988-) ，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)振動(dòng)噪聲、電力拖動(dòng)。