永磁同步電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲抑制方法綜述

張 欣,何家俊,吳 超

(天津工業(yè)大學(xué),天津 300387)

0 引 言

隨著電氣設(shè)備在各行各業(yè)的應(yīng)用，電機(jī)噪聲問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注，因此研究低噪聲、高效率的節(jié)能電機(jī)是非常迫切和必要的。永磁同步電機(jī)的噪聲一般由三部分組成:空氣動(dòng)力性噪聲、機(jī)械性噪聲和電磁噪聲[1-2]。永磁同步電機(jī)在高速運(yùn)行過(guò)程中，空氣動(dòng)力學(xué)和機(jī)械噪聲占主導(dǎo)地位；在中低速度運(yùn)行下，電機(jī)發(fā)出的振動(dòng)噪聲的主要來(lái)源是電磁噪聲。電磁噪聲的大小與定子繞組磁勢(shì)空間諧波，電源中的時(shí)間諧波，轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心以及電動(dòng)機(jī)的功率、極數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)。在減少電機(jī)振動(dòng)和機(jī)電噪聲的排放方面，采用了各種技術(shù)來(lái)優(yōu)化電機(jī)[3]。本文主要針對(duì)永磁同步電機(jī)的電磁噪聲進(jìn)行研究。

本文在介紹抑制電機(jī)噪聲工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、磁致伸縮力等在電機(jī)降噪方面近年來(lái)的研究進(jìn)行梳理和分析，通過(guò)如何有效地優(yōu)化電機(jī)本體結(jié)構(gòu)和減小磁致伸縮力對(duì)電機(jī)的影響，為進(jìn)一步開展抑制永磁同步電機(jī)的振動(dòng)噪聲的相關(guān)研究工作，提供部分參考。

1 基于電機(jī)本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化(降低激振力)

目前，永磁同步電機(jī)的振動(dòng)大多是以氣隙徑向電磁力波、控制系統(tǒng)、定子模式和響應(yīng)作為切入點(diǎn)來(lái)進(jìn)行剖析和研究[4-6]。

1.1 降低電機(jī)徑向力

永磁電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于低次數(shù)徑向力會(huì)使定子鐵心隨時(shí)間變化而產(chǎn)生周期性的形變，因此電機(jī)會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲。如何降低電機(jī)的徑向力是有效抑制電機(jī)振動(dòng)噪聲的一個(gè)重要方法與研究方向。

對(duì)引起電機(jī)振動(dòng)噪聲的徑向力進(jìn)行研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得徑向力波的階次數(shù)越低，電機(jī)鐵心的彎曲形變程度就越大，振動(dòng)噪聲越大；并且電機(jī)定轉(zhuǎn)子極數(shù)越多，產(chǎn)生的噪聲振動(dòng)就越小。此外，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在同步電機(jī)運(yùn)行期間，當(dāng)所給激勵(lì)頻率與永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子固有頻率出現(xiàn)重合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生比較大的振動(dòng)噪聲。因此，要有效抑制電機(jī)的振動(dòng)噪聲，可以采用降低激振力和改變固有頻率兩種方法[7]。

一般的優(yōu)化模態(tài)只能使固有頻率發(fā)生不大的偏移幅度，無(wú)法較好地的實(shí)現(xiàn)抑制電機(jī)噪聲的目的，因此降低轉(zhuǎn)子和定子之間相互徑向作用力，優(yōu)化電機(jī)本體結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。對(duì)此，文獻(xiàn)[8-10]提出利用優(yōu)化定子和轉(zhuǎn)子尺寸，來(lái)防止電磁力頻率和定子固有頻率共振，減小定轉(zhuǎn)子重疊區(qū)域的面積，進(jìn)而可以比較有效地抑制電機(jī)電磁噪聲。

與優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)而定性地改變電機(jī)徑向力相比，文獻(xiàn)[11]提出定量分析轉(zhuǎn)子定子徑向力，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步有效地減小電機(jī)徑向力。永磁同步電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子諧波相互作用產(chǎn)生力波振幅P:

(1)

比徑向力P0:

(2)

定子鐵心表面的振動(dòng)速度v:

(3)

式中：Bv為定子諧波，Bu為轉(zhuǎn)子諧波，f為諧波頻率，zc為定子機(jī)械阻抗。

由式(1)～式(3)可知，在保持定子機(jī)械阻抗zc不變的情況下，降低P0，從而降低定子鐵心表面的振動(dòng)速度，這樣就可以實(shí)現(xiàn)抑制電機(jī)振動(dòng)噪聲的目的[7]。

在優(yōu)化電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、減小徑向力的基礎(chǔ)上，減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以進(jìn)一步抑制電機(jī)的振動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[12]提出了相應(yīng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，可以有效抑制一部分由電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和徑向電磁力所引起的振動(dòng)噪聲，例如：建議減小電機(jī)軸承的支撐距離，用以增加支撐剛度；適度合理地調(diào)整電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以盡可能地減小電磁力頻率和定子固有頻率共振，減小定轉(zhuǎn)子重疊區(qū)域面積可以進(jìn)一步地減小電機(jī)振動(dòng)噪聲[12]。除此之外，還可以在永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子之間填充一種絕緣的非導(dǎo)磁膠體，可以減少電機(jī)轉(zhuǎn)子磁漏，在一定程度上使得轉(zhuǎn)子受到的空氣阻力減小，且能有效地減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[9]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低電機(jī)噪聲的目的。

1.2 減小電機(jī)諧波幅值

不同次的電機(jī)諧波相互作用及其與永磁同步電機(jī)定子側(cè)諧波相互作用，也是永磁同步電機(jī)噪聲產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。改變定子齒極槽配比和定子線圈采用正弦繞組的方式可以較大程度上減少電機(jī)諧波，實(shí)現(xiàn)抑制振動(dòng)噪聲的目的。正弦繞組是利用適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)調(diào)整同步電機(jī)繞組在電機(jī)鐵心中的分布結(jié)構(gòu)，加上改變電機(jī)的極槽配合，達(dá)到電機(jī)繞組基波系數(shù)最大，而其他各次諧波最小[14]。

針對(duì)不同類型的永磁同步電機(jī)可以采用不同的方法來(lái)減小電機(jī)諧波。對(duì)于低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)，多數(shù)可以采用改變定子齒極槽配比的方法。這種方法可以減少電機(jī)共振范圍內(nèi)主要0階力波次數(shù)，減少共振點(diǎn)，以減小定子齒諧波幅值，從而實(shí)現(xiàn)減少電機(jī)振動(dòng)噪聲的目的[13]。對(duì)于高速永磁電動(dòng)機(jī)，則主要采用不同定子線圈正弦繞組的方法來(lái)抑制電機(jī)的振動(dòng)噪聲。適當(dāng)?shù)恼依@組方式可以改變電機(jī)的極槽配合，減少電機(jī)諧波對(duì)電機(jī)振動(dòng)的影響，從而提高電機(jī)效率，抑制電機(jī)的振動(dòng)噪聲，減少電能消耗[14]。例如：?jiǎn)蜗嚯姍C(jī)可以采用不等匝數(shù)的正弦繞組，三相電機(jī)則可以按照不同的需求，設(shè)計(jì)不同的定子槽數(shù)、每極不同的正弦繞組來(lái)減少電機(jī)諧波，實(shí)現(xiàn)抑制電機(jī)振動(dòng)噪聲的目的[15]。

在電機(jī)實(shí)際使用過(guò)程中，不同的開關(guān)頻率在電機(jī)電磁激勵(lì)中也會(huì)引起諧波，開關(guān)頻率越低，磁噪聲幅值越低。文獻(xiàn)[16] 提出的開關(guān)頻率避免了PWM激勵(lì)力和相應(yīng)的定子模式之間的共振，從而在起動(dòng)期間降低了電磁噪聲。

因此，通過(guò)選擇合適的電機(jī)極對(duì)數(shù)，調(diào)整齒和槽的幾何形狀，使用合適的電機(jī)繞組配置，較低的開關(guān)頻率可以最大限度地減少同步電機(jī)中的電磁諧波，減少振動(dòng)，達(dá)到抑制噪聲的目的[17]。但是在降低開關(guān)頻率的同時(shí)，電機(jī)控制的穩(wěn)定性就會(huì)降低，電機(jī)的可靠性也會(huì)有所下降。

1.3 平衡轉(zhuǎn)子

在電機(jī)運(yùn)行期間，電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡也是使轉(zhuǎn)子和電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的一個(gè)重要原因。做好轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，減少電機(jī)與轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，可以有效降低電機(jī)振動(dòng)噪聲。轉(zhuǎn)子端面上裝配一個(gè)平衡塊，該平衡塊可調(diào)節(jié)質(zhì)量和質(zhì)心來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而減小電機(jī)振動(dòng)幅度，實(shí)現(xiàn)減小電機(jī)噪聲的目的[18]。

2 考慮磁致伸縮效應(yīng)降噪

就永磁同步電機(jī)的電磁噪聲而言，麥克斯韋力和磁致伸縮力是造成電機(jī)振動(dòng)和產(chǎn)生噪聲的主要因素。

2.1 磁致伸縮及其影響

麥克斯韋力主要存在于氣隙中。磁致伸縮是指磁疇在外部磁場(chǎng)的影響下，磁化方向趨向于一致，朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致磁性材料會(huì)在某個(gè)方向上產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短的現(xiàn)象，也會(huì)使內(nèi)部產(chǎn)生磁致伸縮應(yīng)力[21]。磁致伸縮力會(huì)使磁化材料的尺寸發(fā)生變化[19]。在對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)噪聲分析的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，考慮磁致伸縮效應(yīng)的永磁電機(jī)振動(dòng)噪聲的分析值大致等于實(shí)際電機(jī)振動(dòng)噪聲值，比只考慮電磁力時(shí)更接近實(shí)測(cè)值[20-21]。利用廣義磁彈性三維有限元模型來(lái)計(jì)算電磁振動(dòng)，結(jié)果證明永磁同步電機(jī)電磁振動(dòng)是由電磁力和磁致伸縮效應(yīng)共同引起的[22-23]，并且磁致伸縮引起的電機(jī)振動(dòng)與磁致伸縮應(yīng)變成正比，振動(dòng)加速度和噪聲隨著電機(jī)頻率的增加而增加[24-25]。因此磁致伸縮力是造成振動(dòng)和噪聲的主要來(lái)源之一，在進(jìn)行電機(jī)降噪時(shí)磁致伸縮力是不可忽略的。

同步電機(jī)定子鐵心是由許多硅鋼片疊壓而成，磁致伸縮效應(yīng)使定子鐵心產(chǎn)生振動(dòng)和形變，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲[26-28]。

在交流電機(jī)中，電機(jī)疊片鐵心考慮硅鋼片的磁致伸縮效應(yīng)，進(jìn)行磁-機(jī)械分析，其振動(dòng)方程可以表示:

(4)

式中:Mm為質(zhì)量矩陣，Cm為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，u(t)為節(jié)點(diǎn)的位移[6]。

2.2 建立模型分析磁致伸縮力

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁致伸縮力在電機(jī)中引起振動(dòng)噪聲的研究已取得一定的成果。對(duì)磁致伸縮的分析研究大多借助于數(shù)值計(jì)算方法，針對(duì)不同的研究對(duì)象可以采用磁-機(jī)械全耦合或單向耦合的方法進(jìn)行分析[6,29-30]。

文獻(xiàn)[31]提出了一種計(jì)算旋轉(zhuǎn)電機(jī)在磁致伸縮和磁力學(xué)耦合作用下振動(dòng)的方法，計(jì)算表明磁致伸縮對(duì)振動(dòng)都有影響，而磁力耦合只有在大型定子中才會(huì)顯著。文獻(xiàn)[30]、文獻(xiàn)[32-33]建立了磁機(jī)械系統(tǒng)耦合分析的一般模型，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的磁致伸縮力，研究了磁致伸縮力對(duì)定子鐵心引起的振動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[19]提出考慮磁致伸縮各向異性，可以提高感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的形變、振動(dòng)和噪聲預(yù)測(cè)的交流效率。各向異性磁致伸縮對(duì)負(fù)載條件下鐵心的局部和全局形變和振動(dòng)的影響也是另一個(gè)需要研究的課題。各種模型分析了磁致伸縮力的影響和特性，為通過(guò)減小磁致伸縮力來(lái)降低永磁電機(jī)電磁噪聲提供了思路。

2.3 減小磁致伸縮力的降噪方法

在永磁同步電機(jī)中，怎樣使麥克斯韋力和磁致伸縮力相互抵消，進(jìn)而降低兩者引起的電磁噪聲是一個(gè)重要的研究方向?；谶@個(gè)思想，文獻(xiàn)[34]介紹了一種磁雙晶的概念，用以控制電機(jī)定子齒的磁致伸縮，從而使電機(jī)的磁致伸縮力的作用和麥克斯韋力的影響相互抵消。這導(dǎo)致目標(biāo)振動(dòng)模式的凈電磁激勵(lì)為零，降低了電機(jī)的振動(dòng)和由此產(chǎn)生的噪聲。

磁致伸縮效應(yīng)使定子磁軛尺寸在水平和垂直方向上發(fā)生周期性變化，引起定子鐵心的形變，進(jìn)而造成電機(jī)定子鐵心振動(dòng)，產(chǎn)生電磁噪聲。文獻(xiàn)[35]分析了定子鐵心由于磁致伸縮力所產(chǎn)生的形變，提出通過(guò)優(yōu)化電機(jī)定子結(jié)構(gòu)，例如適度地增加定子軛厚[36]，來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制由磁致伸縮效應(yīng)所產(chǎn)生的永磁電機(jī)振動(dòng)噪聲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這種方法可以減小一部分的振動(dòng)噪聲。

隨著材料學(xué)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的軟磁材料被發(fā)現(xiàn)，并且逐步應(yīng)用在生活生產(chǎn)中。在不改變永磁電機(jī)固有形態(tài)的基礎(chǔ)上，利用軟磁材料的特性來(lái)抵消磁致伸縮效應(yīng)引起的定子鐵心振動(dòng)和形變的方法，越來(lái)越受到關(guān)注。文獻(xiàn)[37]提出了在電機(jī)定子上打孔，在孔中填補(bǔ)與硅鋼片磁導(dǎo)率和電阻率性能基本一致的軟磁復(fù)合材料，利用負(fù)磁致伸縮形變，抵消定子鐵心正磁致伸縮形變，減小電機(jī)定子形變引起的振動(dòng)，從而達(dá)到了降噪的目的。除此之外，文獻(xiàn)[6]提出采用疏導(dǎo)的方法，在變壓器搭迭間隙填充高磁導(dǎo)率軟磁復(fù)合材料來(lái)抑制電磁噪聲，這為永磁同步電機(jī)的電磁噪聲抑制研究提供了很好的參考方向。但是二維磁致伸縮的分布并不一定與最大磁通量密度矢量的分布相同[28,38]，應(yīng)用軟磁材料之后，電機(jī)的磁致伸縮力分布也會(huì)有所變化，需要充分考慮這前后的磁場(chǎng)變化。

永磁電機(jī)工作在非線性電壓條件下時(shí)，大量的諧波會(huì)導(dǎo)致由磁致伸縮效應(yīng)引起的振動(dòng)噪聲值有所增加[39]。磁致伸縮效應(yīng)引起的振動(dòng)是顯著的，并且產(chǎn)生的電機(jī)振動(dòng)噪聲的幅值與電機(jī)工作頻率和轉(zhuǎn)速有關(guān)[33,35,39-42]。在諧波磁場(chǎng)下，隨著諧波比重的增加，硅鋼片由磁致伸縮效應(yīng)所引起的噪聲隨之增大，從而加大電機(jī)鐵心產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲[43]。因此，降低電機(jī)諧波比重，增加基波比重是降低電機(jī)噪聲的一個(gè)有效方法。

永磁電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，定子鐵心會(huì)有損耗，文獻(xiàn)[33]提出了一種鐵心損耗計(jì)算方法，考慮到鐵心損耗計(jì)算中的三維應(yīng)力。應(yīng)力曲線波動(dòng)很大，應(yīng)力峰值隨諧波頻率的增加而明顯增加，徑向應(yīng)力和圓周應(yīng)力在電機(jī)鐵心的不同部位表現(xiàn)出不同的特性[36,43]。實(shí)驗(yàn)數(shù)值結(jié)果表明，因?yàn)槭湛s配合應(yīng)力的存在，定子鐵心的損耗顯著增加，壓縮應(yīng)力下鐵耗的劣化率隨著磁致伸縮力的減小而降低[43]，通過(guò)降低磁致伸縮對(duì)應(yīng)力的依賴性，減小徑向速度的高次諧波。這種提高收縮配合應(yīng)力的方法，雖然可以適量地減小振動(dòng)噪聲，但卻增大了電機(jī)鐵心損耗，因此在降低電機(jī)噪聲的同時(shí)，如何減小鐵心損耗是需要深入研究的。

3 降低空氣動(dòng)力性噪聲

在減少空氣動(dòng)力噪聲方面，傳統(tǒng)的方法有：加裝消音器，使用全封閉隔聲罩、消聲坑，采用加強(qiáng)筋式鋁材外殼，鐵心采用各種夾緊的處理，嚴(yán)格控制定轉(zhuǎn)子裝配工藝，提高風(fēng)扇設(shè)計(jì)和風(fēng)路設(shè)計(jì)的合理性等，但不適當(dāng)?shù)膴A緊措施可能引起更大的噪聲[2,4,6]。

文獻(xiàn)[44]詳細(xì)分析了電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲的各個(gè)零件，改進(jìn)相關(guān)零件的設(shè)計(jì)，可達(dá)到降低電機(jī)噪聲的目的。

4 總結(jié)與展望

隨著對(duì)電機(jī)降噪需求的逐年增加，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電機(jī)噪聲的來(lái)源、分析及降噪方法都開展了深入研究。

本文從不同方向?qū)τ来磐诫姍C(jī)降噪方面的研究進(jìn)行了系統(tǒng)全面的梳理，在分析電機(jī)噪聲來(lái)源的基礎(chǔ)上，著重從優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)降低電機(jī)徑向力，減小電機(jī)諧波和降低電機(jī)磁致伸縮力等方面，總結(jié)了電機(jī)降噪的研究現(xiàn)狀；針對(duì)不同電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了如何合理優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)，研究通過(guò)減小磁致伸縮力來(lái)抑制電機(jī)噪聲的方法。然而，關(guān)于電機(jī)降噪的實(shí)際應(yīng)用方面尚存在一些問(wèn)題，亟待開展深入的研究。

(1) 優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)可以在一定程度上降低電機(jī)徑向力和電機(jī)諧波，成功抑制部分電機(jī)振動(dòng)噪聲。但是，一般的優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)很難完美地避開徑向力的頻率；在降低開關(guān)頻率時(shí)也會(huì)使電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性隨之下降。因此，設(shè)計(jì)一種可以在最大程度上避開徑向力的頻率并且能夠保證電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性的電機(jī)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，是一個(gè)很好的研究課題。

(2) 對(duì)磁致伸縮力的研究比較多，但是利用減小磁致伸縮力來(lái)抑制電機(jī)振動(dòng)噪聲的研究比較少。軟磁復(fù)合材料的研究與應(yīng)用比較少，如目前并沒(méi)有合適的軟磁復(fù)合材料可以填充在鐵心打孔的位置，而且一些軟磁復(fù)合材料很容易氧化，因此，若要比較理想地抑制由磁致伸縮力所引起的永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲，還亟需相關(guān)材料學(xué)的研究與發(fā)展。