永磁無(wú)刷直流電機(jī)噪聲分析

王建淞

(大慶宏偉慶化石油化工有限公司,黑龍江大慶 163000)

0 引言

隨著永磁材料、現(xiàn)代電機(jī)理論、電子電力技術(shù)的快速發(fā)展,1970年德國(guó)研發(fā)成功了永磁無(wú)刷電機(jī),不久之后,各國(guó)開(kāi)始研究永磁直流無(wú)刷電機(jī),比如美國(guó)GM,日本Fanuc,德國(guó)Simens等,因電機(jī)具有調(diào)速范圍寬,機(jī)械性能好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用在汽車(chē)領(lǐng)域,工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域,電動(dòng)自行車(chē)領(lǐng)域以及高精密醫(yī)療器械領(lǐng)域等[1]。永磁直流無(wú)刷電機(jī)作為關(guān)鍵部件,已成為研究熱點(diǎn)。但與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距,噪聲是電機(jī)一個(gè)重要指標(biāo),1996你那我國(guó)頒布關(guān)于環(huán)境電氣設(shè)備噪聲污染防治法,隨著電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴(kuò)展,該指標(biāo)的重要性也越來(lái)越凸顯。同時(shí)電機(jī)振動(dòng)噪聲也會(huì)影響設(shè)備的使用壽命,因此,本文開(kāi)展對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)振動(dòng)噪聲分析,研究抑制噪聲方法。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

英國(guó)Sheffield大學(xué)的教授諸自強(qiáng)是最早研究永磁電機(jī)、與其控制系統(tǒng)和振動(dòng)產(chǎn)生噪聲的特性之間的關(guān)系的其中一位學(xué)者。1993年期間,他應(yīng)用解析計(jì)算方法算出永磁直流電機(jī)中的無(wú)刷電機(jī)的瞬間狀態(tài)磁場(chǎng)的分布,并以此對(duì)開(kāi)路及電樞反應(yīng)場(chǎng)、定子的齒槽反應(yīng)以及負(fù)載下磁場(chǎng)的反應(yīng)等四種情況進(jìn)行推導(dǎo)[2]。

法國(guó)的學(xué)者在1995年間對(duì)有電流和無(wú)電流的諧波振動(dòng)和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算中發(fā)現(xiàn)三相的不對(duì)稱(chēng),電流對(duì)切向的脈動(dòng)存在較大影響,對(duì)徑向的振動(dòng)存在較小的影響。2000年,芬蘭的學(xué)者對(duì)同步電機(jī)磁場(chǎng)產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲的力源進(jìn)行研究,同步發(fā)電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)產(chǎn)生的引起振動(dòng)與噪聲的來(lái)源,采用有限元與時(shí)步的方法對(duì)電機(jī)中的電磁場(chǎng)進(jìn)行解析計(jì)算,麥克斯韋張量的計(jì)算方法應(yīng)用在定子的鐵芯內(nèi)的徑向分布,解析徑向的頻譜,與所測(cè)電機(jī)的噪聲進(jìn)行互相比較。

2006年,沈陽(yáng)工大設(shè)立了增加了時(shí)間的矩陣,并加入計(jì)算機(jī)電耦合,針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的動(dòng)態(tài)特性耦聯(lián)作為整體,對(duì)其噪聲與振動(dòng)的性質(zhì)進(jìn)行針對(duì)性的研究。傳統(tǒng)理論中電機(jī)力波的頻率即為其固有的頻率,發(fā)生共振噪聲。2001年,意大利通過(guò)二維的電磁場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析,使定子的永磁體兩端部成菱形形態(tài),使電機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)減少,噪聲也對(duì)應(yīng)減少。2002年,日本松下對(duì)表面式的永磁電機(jī)進(jìn)行增加其氣隙的長(zhǎng)度,使其氣隙中的徑向應(yīng)力更平滑,減少電機(jī)的噪聲;2009年,哈工大的研究證明用噪聲測(cè)試來(lái)分析電機(jī)的脈動(dòng)相關(guān)問(wèn)題是合理且有效的。通過(guò)噪聲與電機(jī)的頻率關(guān)系, 能夠精準(zhǔn)地確定噪聲和振動(dòng)的來(lái)源。

2 解析分析

一般情況,兩種永磁直流電機(jī)(即有刷直流和無(wú)刷直流)相比,因?yàn)橐?guī)避了電刷與換向器之間的磨擦,所以噪聲不認(rèn)為是主要存在的問(wèn)題。但經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證,永磁無(wú)刷電機(jī)在一些特殊的狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生比較大的噪聲,這是因?yàn)闊o(wú)刷電機(jī)用交流電經(jīng)過(guò)整流進(jìn)行供電,紋波會(huì)變大;用里外圓弧形一樣的曲率制作永磁體中的瓦形片,使其磁場(chǎng)分布為梯形,供電的電流采用方波供電,正弦波與電勢(shì)電流存在較大差異,從而產(chǎn)生波動(dòng)造成切向和徑向的振動(dòng),導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲。

電磁所產(chǎn)生的噪聲主要源于電磁振動(dòng),而振動(dòng)則是由電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)作用在電機(jī)的鐵心所產(chǎn)生的電磁力所引發(fā)的。定子的繞組磁勢(shì)和永磁磁勢(shì)以及氣隙磁導(dǎo)決定了氣隙磁場(chǎng)。定子的鐵心上所產(chǎn)生的磁力分為兩組分量為切向和徑向。噪聲主要來(lái)源是由于徑向分量可使鐵心發(fā)生振動(dòng)并變形;噪聲次要來(lái)源是由于切向分量與電磁轉(zhuǎn)矩形成相反的作用力,使芯齒對(duì)其根部變彎,從而產(chǎn)生局部的振動(dòng)以及變形。

永磁電機(jī)中的無(wú)刷電機(jī),主磁通沿著徑向進(jìn)入電機(jī)氣隙,對(duì)定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向力,從而使電磁發(fā)生振動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。在電機(jī)不對(duì)稱(chēng)或是在單相電機(jī)這種場(chǎng)合,產(chǎn)生切向的振動(dòng)會(huì)變大,致使與電機(jī)相連的部件產(chǎn)生共振,進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。因此首先要對(duì)氣隙中的磁通密度分布進(jìn)行分析,其密度分布用磁勢(shì)乘磁導(dǎo)的方法進(jìn)行計(jì)算。

氣隙磁勢(shì)f(θ,t)與磁導(dǎo)λ(θ,t)的乘積為

b(θ,t)=f(θ,t)λ(θ,t)

(1)

經(jīng)過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)進(jìn)行分解,μ次主極磁場(chǎng)的諧波磁密幅值Bμ

(2)

得出空載的氣隙磁場(chǎng)公式

(3)

電機(jī)徑向力波公式

(4)

3 有限元分析

電機(jī)工作時(shí),由于氣隙中徑向電磁力作用,使得定子鐵心和機(jī)座產(chǎn)生周期性振動(dòng),產(chǎn)生脈動(dòng)噪聲。一般低次諧波的容易產(chǎn)生徑向變形,故研究五次以下的徑向力波對(duì)電磁噪聲影響。

3.1 極槽配合

針對(duì)4極結(jié)構(gòu),6槽、12槽、24槽、36槽四臺(tái)電機(jī)建立二維結(jié)構(gòu)圖,通過(guò)有限元計(jì)算電機(jī)磁密分布,見(jiàn)圖1、圖2、圖3、圖4。

圖2 12槽電機(jī)云圖

圖3 24槽電機(jī)云圖

圖4 36槽電機(jī)云圖

然后計(jì)算磁密諧波分布,見(jiàn)表1,對(duì)比結(jié)果可以得出,6槽電機(jī)因?yàn)闉榉謹(jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu),噪聲要大于12槽、24槽、36槽的整數(shù)槽振動(dòng)噪聲。

表1 電磁噪聲值

3.2 極弧因素

極弧因數(shù)是電機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的參數(shù),正確的應(yīng)用電機(jī)極弧因數(shù)可以有效的削減甚至清除氣隙磁密諧波。對(duì)4極6槽的無(wú)刷電機(jī)極弧因數(shù)影響進(jìn)行噪聲分析,在電機(jī)鐵心長(zhǎng)度不變但因數(shù)變化的情況下,對(duì)定子繞組的線(xiàn)圈數(shù)進(jìn)行調(diào)整來(lái)維持反電動(dòng)勢(shì)大致不變,極弧因數(shù)對(duì)噪聲產(chǎn)生的影響如表2所示。

表2 不同極弧系數(shù)下噪聲值

表3是保持定子繞組數(shù)不變,調(diào)動(dòng)氣隙的長(zhǎng)度使電機(jī)在不同因數(shù)狀態(tài)下,反電動(dòng)勢(shì)保持不變,電磁產(chǎn)生的噪聲變化如表3所示。從表2中可以看出,在永磁體的厚度與氣隙的長(zhǎng)度都保持不變的情況下,電機(jī)的噪聲明顯增加,從表3中可以看出,在磁體厚度保持不變的情況下,其因數(shù)增大了,氣隙長(zhǎng)度也同時(shí)增大,減弱了電機(jī)氣隙諧波,同時(shí)降低了電磁的噪聲。

表3 不同極弧系數(shù)和氣隙長(zhǎng)度下噪聲值

3.3 永磁體

從表4中可以看出,磁體磁化方向上的長(zhǎng)度與氣隙長(zhǎng)度等比例變動(dòng)時(shí), 隨磁化方向上的長(zhǎng)度的變大,氣隙的磁密值增加了,但電機(jī)氣隙的磁密波的畸變概率也相應(yīng)降低了,電磁的噪聲也明顯降低,由此看出電機(jī)諧波的磁場(chǎng)被減弱了。所以,磁體磁化方向上的長(zhǎng)度與氣隙長(zhǎng)度等比例變動(dòng)時(shí),磁化方向上長(zhǎng)度的變化對(duì)電磁噪聲產(chǎn)生的影響要弱于氣隙長(zhǎng)度的變化對(duì)電磁噪聲產(chǎn)生的影響。

表4 基波磁密與波形畸變率

從表5中可以看出,隨著δ/δmin的增大,電磁產(chǎn)生的噪聲值逐漸變大。雖然氣隙磁的密形度更好,電機(jī)的效率也增高了,但電磁產(chǎn)生的噪聲值也隨之變大了。從表6中可以看出, 隨著δ值的增大,電磁產(chǎn)生的噪聲值有所降低,但磁體中間部分的厚度也降低了,所以會(huì)相應(yīng)加大磁體的厚度,這就導(dǎo)致磁體的使用量變大。

表5 噪聲值

表6 永磁體形狀與噪聲值關(guān)系

3.4 定子槽

槽口為半開(kāi)槽口,從裝配工藝方面來(lái)說(shuō),一般以電機(jī)繞組易嵌入為準(zhǔn),因?yàn)?槽口不僅會(huì)影響氣隙諧波,還會(huì)影響齒槽轉(zhuǎn)矩,槽口寬度對(duì)電磁噪聲影響的計(jì)算結(jié)果如下圖5,可以看出,隨著槽口寬度增加,電磁噪聲正比例增加。槽口高度對(duì)電磁噪聲影響,有限元計(jì)算結(jié)果如圖6,隨著高度增加,電磁噪聲在降低。

圖5 槽口寬度與電磁噪聲關(guān)系

圖6 槽口高度與電磁噪聲關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

本文以4極永磁無(wú)刷直流電機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析,從公式解析法和有限元分析法兩方面對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行計(jì)算,分析了極槽配合、極弧因素、永磁體以及定子槽尺寸對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)噪聲影響規(guī)律,從而獲得在保證電機(jī)性能前提下,抑制噪聲方法。