永磁同步电机电磁振动噪声优化方法研究

永磁同步电机电磁振动噪声优化方法研究

陈文林

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摘要：永磁同步电机具有体积小、质量轻、功率密度高等诸多优点,在工业场景应用中愈发广泛,涵盖了汽车、制造、航空和医疗等领域。相比于表贴式永磁电机,内置式永磁同步电机在永磁转矩的基础上增加了磁阻转矩,有助于提升电机调速能力与过载能力,降低稀土永磁用量,是永磁电机发展的主要方向之一。虽然内置式永磁同步电机具有诸多优点,但是其等效气隙长度较小,通常会产生较多的径向电磁力谐波分量以及较大的谐波幅值,很容易激发对应的定子模态,造成较为严重的振动,从而产生噪声。

关键词：电机；电磁振动；优化方法

引言

随着电气设备在各行各业的应用，电机噪声问题越来越引起人们的关注，因此研究低噪声、高效率的节能电机是非常迫切和必要的。永磁同步电机的噪声一般由三部分组成:空气动力性噪声、机械性噪声和电磁噪声。永磁同步电机在高速运行过程中，空气动力学和机械噪声占主导地位;在中低速度运行下，电机发出的振动噪声的主要来源是电磁噪声。电磁噪声的大小与定子绕组磁势空间谐波，电源中的时间谐波，转子动态偏心以及电动机的功率、极数和转速有关。在减少电机振动和机电噪声的排放方面，采用了各种技术来优化电机。针对永磁同步电机的电磁噪声进行研究。介绍抑制电机噪声工作原理的基础上，对电机本体结构优化设计、磁致伸缩力等在电机降噪方面近年来的研究进行梳理和分析，通过如何有效地优化电机本体结构和减小磁致伸缩力对电机的影响。

1基于电机本体结构优化(降低激振力)

目前，永磁同步电机的振动大多是以气隙径向电磁力波、控制系统、定子模式和响应作为切入点来进行剖析和研究。

1.1降低电机径向力

永磁电机在运行过程中，由于低次数径向力会使定子铁心随时间变化而产生周期性的形变，因此电机会产生较大的电磁噪声。如何降低电机的径向力是有效抑制电机振动噪声的一个重要方法与研究方向。对引起电机振动噪声的径向力进行研究，通过实验测得径向力波的阶次数越低，电机铁心的弯曲形变程度就越大，振动噪声越大;并且电机定转子极数越多，产生的噪声振动就越小。此外，实验中发现在同步电机运行期间，当所给激励频率与永磁同步电机的转子和定子固有频率出现重合时，就会产生比较大的振动噪声。因此，要有效抑制电机的振动噪声，可以采用降低激振力和改变固有频率两种方法。一般的优化模态只能使固有频率发生不大的偏移幅度，无法较好地的实现抑制电机噪声的目的，因此降低转子和定子之间相互径向作用力，优化电机本体结构就显得尤为重要。提出利用优化定子和转子尺寸，来防止电磁力频率和定子固有频率共振，减小定转子重叠区域的面积，进而可以比较有效地抑制电机电磁噪声。

1.2减小电机谐波幅值

不同次的电机谐波相互作用及其与永磁同步电机定子侧谐波相互作用，也是永磁同步电机噪声产生的一个重要原因。改变定子齿极槽配比和定子线圈采用正弦绕组的方式可以较大程度上减少电机谐波，实现抑制振动噪声的目的。正弦绕组是利用适当的方法来调整同步电机绕组在电机铁心中的分布结构，加上改变电机的极槽配合，达到电机绕组基波系数最大，而其他各次谐波最小。针对不同类型的永磁同步电机可以采用不同的方法来减小电机谐波。对于低速大转矩永磁电机，多数可以采用改变定子齿极槽配比的方法。这种方法可以减少电机共振范围内主要0阶力波次数，减少共振点，以减小定子齿谐波幅值，从而实现减少电机振动噪声的目的。对于高速永磁电动机，则主要采用不同定子线圈正弦绕组的方法来抑制电机的振动噪声。适当的正弦绕组方式可以改变电机的极槽配合，减少电机谐波对电机振动的影响，从而提高电机效率，抑制电机的振动噪声，减少电能消耗。单相电机可以采用不等匝数的正弦绕组，三相电机则可以按照不同的需求，设计不同的定子槽数、每极不同的正弦绕组来减少电机谐波，实现抑制电机振动噪声的目的。在电机实际使用过程中，不同的开关频率在电机电磁激励中也会引起谐波，开关频率越低，磁噪声幅值越低。提出的开关频率避免了PWM激励力和相应的定子模式之间的共振，从而在起动期间降低了电磁噪声。通过选择合适的电机极对数，调整齿和槽的几何形状，使用合适的电机绕组配置，较低的开关频率可以最大限度地减少同步电机中的电磁谐波，减少振动，达到抑制噪声的目的。但是在降低开关频率的同时，电机控制的稳定性就会降低，电机的可靠性也会有所下降。

1.3平衡转子

在电机运行期间，电机转子的不平衡也是使转子和电机产生振动噪声的一个重要原因。做好转子动平衡，减少电机与转子的振动，可以有效降低电机振动噪声。转子端面上装配一个平衡块，该平衡块可调节质量和质心来改变电机的转动惯量，从而减小电机振动幅度，实现减小电机噪声的目的。

2考虑磁致伸缩效应降噪

就永磁同步电机的电磁噪声而言，麦克斯韦力和磁致伸缩力是造成电机振动和产生噪声的主要因素。磁致伸缩及其影响麦克斯韦力主要存在于气隙中。磁致伸缩是指磁畴在外部磁场的影响下，磁化方向趋向于一致，朝一个方向转向，导致磁性材料会在某个方向上产生伸长或缩短的现象，也会使内部产生磁致伸缩应力。磁致伸缩力会使磁化材料的尺寸发生变化。在对永磁电机进行振动噪声分析的实验中，实验数据结果显示，考虑磁致伸缩效应的永磁电机振动噪声的分析值大致等于实际电机振动噪声值，比只考虑电磁力时更接近实测值。利用广义磁弹性三维有限元模型来计算电磁振动，结果证明永磁同步电机电磁振动是由电磁力和磁致伸缩效应共同引起的，并且磁致伸缩引起的电机振动与磁致伸缩应变成正比，振动加速度和噪声随着电机频率的增加而增加。因此磁致伸缩力是造成振动和噪声的主要来源之一，在进行电机降噪时磁致伸缩力是不可忽略的。减小磁致伸缩力的降噪方法在永磁同步电机中，怎样使麦克斯韦力和磁致伸缩力相互抵消，进而降低两者引起的电磁噪声是一个重要的研究方向。基于这个思想，介绍了一种磁双晶的概念，用以控制电机定子齿的磁致伸缩，从而使电机的磁致伸缩力的作用和麦克斯韦力的影响相互抵消。这导致目标振动模式的净电磁激励为零，降低了电机的振动和由此产生的噪声。磁致伸缩效应使定子磁轭尺寸在水平和垂直方向上发生周期性变化，引起定子铁心的形变，进而造成电机定子铁心振动，产生电磁噪声。分析了定子铁心由于磁致伸缩力所产生的形变，提出通过优化电机定子结构，例如适度地增加定子轭厚，来实现抑制由磁致伸缩效应所产生的永磁电机振动噪声，实验结果证明这种方法可以减小一部分的振动噪声。。

3降低空气动力性噪声

在减少空气动力噪声方面，传统的方法有:加装消音器，使用全封闭隔声罩、消声坑，采用加强筋式铝材外壳，铁心采用各种夹紧的处理，严格控制定转子装配工艺，提高风扇设计和风路设计的合理性等，但不适当的夹紧措施可能引起更大的噪声。详细分析了电机运行过程中会产生噪声的各个零件，改进相关零件的设计，可达到降低电机噪声的目的。

结语

随着对电机降噪需求的逐年增加，国内外学者对电机噪声的来源、分析及降噪方法都开展了深入研究。不同方向对永磁同步电机降噪方面的研究进行了系统全面的梳理，在分析电机噪声来源的基础上，着重从优化电机结构降低电机径向力，减小电机谐波和降低电机磁致伸缩力等方面，总结了电机降噪的研究现状;针对不同电机的结构特点，分析了如何合理优化电机的结构，研究通过减小磁致伸缩力来抑制电机噪声的方法。

参考文献

［1］刘检荣．直流电机噪声的产生原因与抑制方法［J］．电世界，2013(16):78－79．

［2］刘鸣，景建方．降低电机噪声的方法研究［J］．船电技术，2011，31(12):21－24．

结语

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