低速直驅(qū)式大功率永磁同步電動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性研究

姜新通 李偉凱 陳言 劉釗銘

摘 要：電機(jī)電磁噪聲的主要來源是定子鐵心和機(jī)殼的振動(dòng)，轉(zhuǎn)子偏心也會(huì)產(chǎn)生不平衡磁拉力，并導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。采用低速直驅(qū)方式時(shí)，振動(dòng)會(huì)直接傳遞到與電機(jī)系統(tǒng)相連的其他設(shè)備上，更易造成部件的疲勞或損壞。為預(yù)知低速直驅(qū)式大功率永磁同步電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特性，限制其振動(dòng)和噪聲水平。基于有限元方法，對(duì)該類電機(jī)定子進(jìn)行了諧響應(yīng)數(shù)值分析，并完成了轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)分析與計(jì)算。隨后通過振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試的方法，驗(yàn)證了理論分析的正確性。最終揭示出該類電機(jī)振動(dòng)響應(yīng)特性，進(jìn)而為其減振降噪和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)特性；噪聲；固有頻率；有限元

DOI：10.15938/j.emc.（編輯填寫）

中圖分類號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007 -449X（2017）07-0000-00

Vibration characteristics research for the low speed direct drive high power PMSM

Jiang Xin-tong1，2， Li Wei-kai1，Chen Yan1，Liu Zhao-ming1

（1. Department of Information Technology， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， 163319，China

2. Department of Electric Engineering， Zhejiang University， Hangzhou， 310007，China）

Abstract： Electromagnetic noise mainly came from the vibration between the motor stator core and shell， an eccentric rotor would produce unbalanced magnetic pull， and caused the motor to produce vibration and noise. Under low speed direct drive mode， the vibration would be directly transmitted to other devices that connected to the motor system， which would produce more fatigue or damaged. To predict the vibration characteristics of a low speed direct drive PMSM， and limit the levels of vibration and noise. Based on the FEM， the stator harmonic numerical analysis was carried out， and rotor unbalance response calculation analysis was completed. Using vibration test， the theoretical analysis were verified. Finally， the vibration response characteristics of these motors were revealed， which provide the necessary theoretical basis for vibration and noise reduction， so did the structure optimize design.

Keywords： Vibration characteristics； Noise； Natural frequency； FEM

0 引 言

噪聲是發(fā)聲體做無規(guī)則振動(dòng)時(shí)發(fā)出的一種由不同頻率及強(qiáng)度組合在一起的隨機(jī)聲信號(hào)。電機(jī)是一種噪聲源，它的振動(dòng)和噪聲限值是其出廠前衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。由于電機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電耦合系統(tǒng)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在機(jī)械、電磁及流體動(dòng)力等各種激勵(lì)因素，振動(dòng)往往是不可避免的。通常電機(jī)中振動(dòng)和噪聲的來源主要可分為機(jī)械振動(dòng)噪聲源、空氣動(dòng)力振動(dòng)噪聲源和電磁振動(dòng)噪聲源。電機(jī)電磁噪聲的主要來源是鐵心和機(jī)殼的振動(dòng)，機(jī)殼的振動(dòng)直接輻射噪聲，鐵心的振動(dòng)通過機(jī)殼或端蓋上的孔向外輻射噪聲。有時(shí)激勵(lì)源的相互作用會(huì)提高振動(dòng)和噪聲的輻射，逆變器和控制策略也會(huì)影響機(jī)械和電磁噪聲[1-5]。

與感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)相比較，永磁電機(jī)相對(duì)比較安靜。然而，在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合中，如軍用超安靜艦艇的推動(dòng)、工業(yè)伺服系統(tǒng)、家電消費(fèi)產(chǎn)品和汽車輔助設(shè)備，噪聲和振動(dòng)就成為該類電機(jī)的主要問題。目前，國內(nèi)外對(duì)中小型永磁同步電動(dòng)機(jī)有針對(duì)性的研究成果很多，但是對(duì)于大功率（300 kW以上） 永磁同步電動(dòng)機(jī)還沒有相應(yīng)的研究成果供參考。由于大功率永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)開有很多磁槽用來安裝永磁體，且通常還被設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)來降低其質(zhì)量，從而使轉(zhuǎn)子本身的強(qiáng)度削弱，剛度也受到了較大影響。另外，由于存在著加工和裝配誤差、軸承磨損等諸多不利因素，均會(huì)引起轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的偏心，從而產(chǎn)生不平衡磁拉力，并導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲[6-9] 。采用低速直驅(qū)方式時(shí)，由于電機(jī)系統(tǒng)通過剛性聯(lián)軸節(jié)與負(fù)載相連，振動(dòng)會(huì)直接傳遞到與其相連的其他設(shè)備上，更易造成系統(tǒng)自身及連接設(shè)備結(jié)構(gòu)和部件的疲勞或損壞。此外，低速直驅(qū)式永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更為敏感，在電機(jī)低速或空載運(yùn)行時(shí)，定位力矩引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問題尤其嚴(yán)重。這些問題將直接影響到大功率永磁同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械性能、使用壽命和控制精度。因而迫切需要研究降低電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲和振動(dòng)的問題，同時(shí)采取一定的措施將其控制到允許限度內(nèi)，限制振動(dòng)和噪聲的污染。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的徑向電磁力是由定、轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)的徑向分量相互作用所產(chǎn)生的電磁激振力，它是引起該類電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲的主要因素，如何降低其數(shù)值也是該類電機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問題。電機(jī)電磁振動(dòng)和噪聲的研究?jī)?nèi)容包括定子固有頻率及其模態(tài)、阻尼特性、振動(dòng)響應(yīng)、噪聲輻射以及激振力的研究。預(yù)測(cè)直驅(qū)式永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲不僅需要準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)定子模態(tài)及固有頻率，而且還要詳細(xì)分析其諧振頻率和激振力。

1 低速直驅(qū)式大功率永磁同步電動(dòng)機(jī)定子的諧響應(yīng)分析

連續(xù)的周期性載荷在一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中引起的連續(xù)性周期響應(yīng)被稱作諧響應(yīng)。研究線性結(jié)構(gòu)在正弦周期性變化載荷作用下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的技術(shù)稱為諧響應(yīng)分析。諧響應(yīng)分析的目的是通過計(jì)算分析得出結(jié)構(gòu)在若干頻率下的響應(yīng)，從而獲取相應(yīng)的響應(yīng)值（通常是位移）隨頻率變化的曲線。

在有限元計(jì)算時(shí)，我們采用完全法和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析相結(jié)合的方法[10]。本文所研究的低速直驅(qū)式大功率永磁同步電動(dòng)機(jī)定子諧響應(yīng)分析的3D計(jì)算模型如圖1所示。假定系統(tǒng)有兩個(gè)底腳位置約束（電機(jī)臥式結(jié)構(gòu)），藍(lán)色所示部分為按正弦規(guī)律變化施加的最大徑向電磁力，其數(shù)值來源于先前的FEM計(jì)算結(jié)果。

在對(duì)低速直驅(qū)式永磁同步電動(dòng)機(jī)定子的諧響應(yīng)分析時(shí)采取了簡(jiǎn)化處理的手段，以定子在不同頻率下所受徑向電磁力的最大情況作為研究時(shí)點(diǎn)，此時(shí)定子系統(tǒng)的諧響應(yīng)是最嚴(yán)重的，所對(duì)應(yīng)的位移、加速度也達(dá)到最大值。定子諧響應(yīng)分析的位移計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，電機(jī)定子在各個(gè)方向的位移是隨周期性應(yīng)激力作用的時(shí)間而逐漸變化的，而且在X和Y方向的位移明顯大于Z方向的位移。表明機(jī)殼周向受振動(dòng)影響較大，而軸向則較小。該計(jì)算結(jié)果表明，電機(jī)機(jī)殼的特殊處理對(duì)于低速電機(jī)的減振起到了明顯效果。而且多環(huán)包裹的方式對(duì)于機(jī)械減振也是有利的，但會(huì)使電機(jī)的整體機(jī)械強(qiáng)度有所下降。

隨后對(duì)電機(jī)定子分別進(jìn)行了25Hz、50Hz、75Hz三種基波頻率應(yīng)激力作用的諧響應(yīng)分析，得出位移隨頻率變化的部分響應(yīng)曲線如圖3所示。由圖3可以看出，在一個(gè)周期性應(yīng)激力作用下，定子在不同頻率時(shí)的位移響應(yīng)曲線先是按照拋物線規(guī)律上升，達(dá)到第一個(gè)峰值穩(wěn)定后，在一定范圍內(nèi)以正弦曲線規(guī)律變化。由于計(jì)算量很大，只給出部分響應(yīng)曲線。通過定子3D諧響應(yīng)分析計(jì)算結(jié)果，能夠預(yù)知電機(jī)定子系統(tǒng)在不同頻率應(yīng)激力作用下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)信息。對(duì)振動(dòng)頻率、振動(dòng)頻譜、最大位移等振動(dòng)信號(hào)的分析，可以為設(shè)備故障檢測(cè)、在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷提供必要的依據(jù)。

2. 低速直驅(qū)式大功率永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)研究

轉(zhuǎn)子上質(zhì)量的不平衡會(huì)導(dǎo)致整個(gè)部件的質(zhì)心偏移，而質(zhì)心偏移后氣隙磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生低次諧波，其幅值隨偏心率的增加而增加。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，激勵(lì)頻率和轉(zhuǎn)軸固有頻率重合時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，出現(xiàn)劇烈振動(dòng)。如果在該轉(zhuǎn)速下繼續(xù)運(yùn)行，必將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子、軸承等部件損壞。由磁場(chǎng)的不對(duì)稱所引起的定位力矩也會(huì)引起轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，甚至引起共振，嚴(yán)重影響電機(jī)的性能和使用壽命。

對(duì)于低速直驅(qū)式大功率永磁同步電動(dòng)機(jī)來說，盡管電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，但由于轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度大、質(zhì)量高，在旋轉(zhuǎn)的過程中也容易因質(zhì)心偏移引起較嚴(yán)重的不平衡響應(yīng)，所以有必要對(duì)其進(jìn)行不平衡響應(yīng)分析及計(jì)算。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了模態(tài)分析，得出其低階固有頻率和振型如圖4所示。從圖中可見，轉(zhuǎn)子的三階模態(tài)振型為拱形彎曲，四階模態(tài)振型為傾斜。對(duì)低階振型的分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子端部出現(xiàn)了較大的變形，應(yīng)加強(qiáng)此處的剛度。為此在設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)子兩端不僅安裝了強(qiáng)度較高的滾動(dòng)軸承，還特別加裝了扶正軸承，以便使整體應(yīng)力分布更加均勻。

通過圖2、圖4左上方的仿真計(jì)算結(jié)果分析可發(fā)現(xiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的最大位移要比定子的大得多。這也印證了事先的推斷——所研究的電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因是由定轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的低階力波，即諧波頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率相近的徑向電磁力波產(chǎn)生的，而不是由定子共振引起的。所以從電磁分析著手，降低該力波幅值是減小電機(jī)振動(dòng)的有效措施。

3. 有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由于所研究樣機(jī)體積較大，受環(huán)境限制，所以實(shí)驗(yàn)測(cè)試是以振動(dòng)測(cè)試為主。用振動(dòng)分析儀測(cè)試后對(duì)信號(hào)進(jìn)行了FFT頻譜分析。利用所研究的低速直驅(qū)式大功率永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上多相多單元的特點(diǎn)，將電機(jī)自身一個(gè)單元接負(fù)載電阻處于發(fā)電運(yùn)行，另三個(gè)單元接驅(qū)動(dòng)器處于電動(dòng)運(yùn)行時(shí)完成的測(cè)試。不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的振動(dòng)測(cè)試和位移測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

從上述兩圖中的曲線可見，最大的振動(dòng)加速度和位移均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為64 r/min附近，對(duì)應(yīng)的角頻率為32Hz。該頻率與實(shí)況模擬有限元計(jì)算所得定子一階模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率37.97Hz相差約16%，存在誤差的主要原因是由于試驗(yàn)條件所限，測(cè)量的僅是部分單元拖動(dòng)情況下的結(jié)果。此外，在定子建模時(shí)是按照整體機(jī)構(gòu)來處理的，沒有考慮硅鋼片疊壓對(duì)定子固有頻率的影響，機(jī)殼和端蓋采用“附加質(zhì)量”的方法處理，都也會(huì)帶來一定的計(jì)算誤差，今后工作中會(huì)加以改善。37.97Hz頻率處有可能產(chǎn)生電機(jī)系統(tǒng)的第一個(gè)共振點(diǎn)，電機(jī)不宜在此轉(zhuǎn)速附近過多停留，應(yīng)加速迅速通過，以便避開系統(tǒng)共振。

4. 結(jié)論

基于有限元方法，對(duì)低速直驅(qū)式大功率永磁同步電動(dòng)機(jī)定子進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，隨后實(shí)施轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)的數(shù)值分析，最后完成試驗(yàn)比較。本文研究得出的結(jié)論如下：

（1）定轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的低階力波，即諧波頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率相近的徑向電磁力波是所研究樣機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因。所以從電磁分析著手，降低該力波幅值是減小樣機(jī)振動(dòng)的有效措施。

（2）對(duì)低速直驅(qū)式永磁同步電動(dòng)機(jī)定子的諧響應(yīng)分析表明，電機(jī)定子在各個(gè)方向的位移是隨周期性應(yīng)激力作用的時(shí)間而逐漸變化的，而且在X和Y方向的位移最大。對(duì)振動(dòng)頻率、振動(dòng)頻譜、最大位移等振動(dòng)信號(hào)的分析，可以為設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)與故障診斷提供必要的依據(jù)。

（3）轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)計(jì)算及分析結(jié)果表明，所研究的電機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)的主要是由轉(zhuǎn)子不平衡引起的。而且，轉(zhuǎn)子端部的振動(dòng)變形最大，在機(jī)械強(qiáng)度上應(yīng)該予以加強(qiáng)。

參 考 文 獻(xiàn)

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