低速直驱式大功率永磁同步电动机振动特性研究

姜新通 李伟凯 陈言 刘钊铭

摘 要：电机电磁噪声的主要来源是定子铁心和机壳的振动，转子偏心也会产生不平衡磁拉力，并导致电动机产生振动和噪声。采用低速直驱方式时，振动会直接传递到与电机系统相连的其他设备上，更易造成部件的疲劳或损坏。为预知低速直驱式大功率永磁同步电动机的振动特性，限制其振动和噪声水平。基于有限元方法，对该类电机定子进行了谐响应数值分析，并完成了转子的不平衡响应分析与计算。随后通过振动试验测试的方法，验证了理论分析的正确性。最终揭示出该类电机振动响应特性，进而为其减振降噪和结构优化设计提供必要的理论依据。

关键词：振动特性；噪声；固有频率；有限元

DOI：10.15938/j.emc.（编辑填写）

中图分类号：TM351 文献标志码：A 文章编号：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

噪聲是发声体做无规则振动时发出的一种由不同频率及强度组合在一起的随机声信号。电机是一种噪声源，它的振动和噪声限值是其出厂前衡量产品质量的重要指标之一。由于电机系统是一个复杂的机电耦合系统，设备运转时存在机械、电磁及流体动力等各种激励因素，振动往往是不可避免的。通常电机中振动和噪声的来源主要可分为机械振动噪声源、空气动力振动噪声源和电磁振动噪声源。电机电磁噪声的主要来源是铁心和机壳的振动，机壳的振动直接辐射噪声，铁心的振动通过机壳或端盖上的孔向外辐射噪声。有时激励源的相互作用会提高振动和噪声的辐射，逆变器和控制策略也会影响机械和电磁噪声[1-5]。

与感应电机和开关磁阻电机相比较，永磁电机相对比较安静。然而，在一些特殊应用场合中，如军用超安静舰艇的推动、工业伺服系统、家电消费产品和汽车辅助设备，噪声和振动就成为该类电机的主要问题。目前，国内外对中小型永磁同步电动机有针对性的研究成果很多，但是对于大功率（300 kW以上） 永磁同步电动机还没有相应的研究成果供参考。由于大功率永磁同步电动机转子内开有很多磁槽用来安装永磁体，且通常还被设计成中空结构来降低其质量，从而使转子本身的强度削弱，刚度也受到了较大影响。另外，由于存在着加工和装配误差、轴承磨损等诸多不利因素，均会引起转子相对于定子的偏心，从而产生不平衡磁拉力，并导致电动机产生振动和噪声[6-9] 。采用低速直驱方式时，由于电机系统通过刚性联轴节与负载相连，振动会直接传递到与其相连的其他设备上，更易造成系统自身及连接设备结构和部件的疲劳或损坏。此外，低速直驱式永磁同步电动机系统对转矩波动更为敏感，在电机低速或空载运行时，定位力矩引起的转矩波动问题尤其严重。这些问题将直接影响到大功率永磁同步电动机的机械性能、使用寿命和控制精度。因而迫切需要研究降低电机运转噪声和振动的问题，同时采取一定的措施将其控制到允许限度内，限制振动和噪声的污染。

永磁同步电动机的径向电磁力是由定、转子气隙磁场的径向分量相互作用所产生的电磁激振力，它是引起该类电机电磁振动噪声的主要因素，如何降低其数值也是该类电机设计中一个需要重点考虑的问题。电机电磁振动和噪声的研究内容包括定子固有频率及其模态、阻尼特性、振动响应、噪声辐射以及激振力的研究。预测直驱式永磁同步电动机产生的振动和噪声不仅需要准确计算电机定子模态及固有频率，而且还要详细分析其谐振频率和激振力。

1 低速直驱式大功率永磁同步电动机定子的谐响应分析

连续的周期性载荷在一个结构系统中引起的连续性周期响应被称作谐响应。研究线性结构在正弦周期性变化载荷作用下稳态响应的技术称为谐响应分析。谐响应分析的目的是通过计算分析得出结构在若干频率下的响应，从而获取相应的响应值（通常是位移）随频率变化的曲线。

在有限元计算时，我们采用完全法和瞬态动力学分析相结合的方法[10]。本文所研究的低速直驱式大功率永磁同步电动机定子谐响应分析的3D计算模型如图1所示。假定系统有两个底脚位置约束（电机卧式结构），蓝色所示部分为按正弦规律变化施加的最大径向电磁力，其数值来源于先前的FEM计算结果。

在对低速直驱式永磁同步电动机定子的谐响应分析时采取了简化处理的手段，以定子在不同频率下所受径向电磁力的最大情况作为研究时点，此时定子系统的谐响应是最严重的，所对应的位移、加速度也达到最大值。定子谐响应分析的位移计算结果如图2所示。

从图2可以看出，电机定子在各个方向的位移是随周期性应激力作用的时间而逐渐变化的，而且在X和Y方向的位移明显大于Z方向的位移。表明机壳周向受振动影响较大，而轴向则较小。该计算结果表明，电机机壳的特殊处理对于低速电机的减振起到了明显效果。而且多环包裹的方式对于机械减振也是有利的，但会使电机的整体机械强度有所下降。

随后对电机定子分别进行了25Hz、50Hz、75Hz三种基波频率应激力作用的谐响应分析，得出位移随频率变化的部分响应曲线如图3所示。由图3可以看出，在一个周期性应激力作用下，定子在不同频率时的位移响应曲线先是按照抛物线规律上升，达到第一个峰值稳定后，在一定范围内以正弦曲线规律变化。由于计算量很大，只给出部分响应曲线。通过定子3D谐响应分析计算结果，能够预知电机定子系统在不同频率应激力作用下的正常运转信息。对振动频率、振动频谱、最大位移等振动信号的分析，可以为设备故障检测、在线状态监测与故障诊断提供必要的依据。

2. 低速直驱式大功率永磁同步电动机转子不平衡响应研究

转子上质量的不平衡会导致整个部件的质心偏移，而质心偏移后气隙磁场中会产生低次谐波，其幅值随偏心率的增加而增加。当转子转到一定转速时，激励频率和转轴固有频率重合时就会产生共振，出现剧烈振动。如果在该转速下继续运行，必将导致转子、轴承等部件损坏。由磁场的不对称所引起的定位力矩也会引起转速的波动，使电机产生振动和噪声，甚至引起共振，严重影响电机的性能和使用寿命。

对于低速直驱式大功率永磁同步电动机来说，尽管电机转速较低，但由于转子长度大、质量高，在旋转的过程中也容易因质心偏移引起较严重的不平衡响应，所以有必要对其进行不平衡响应分析及计算。对电机转子进行了模态分析，得出其低阶固有频率和振型如图4所示。从图中可见，转子的三阶模态振型为拱形弯曲，四阶模态振型为倾斜。对低阶振型的分析发现，转子端部出现了较大的变形，应加强此处的刚度。为此在设计中转子两端不仅安装了强度较高的滚动轴承，还特别加装了扶正轴承，以便使整体应力分布更加均匀。

通过图2、图4左上方的仿真计算结果分析可发现，电机转子产生的最大位移要比定子的大得多。这也印证了事先的推断——所研究的电机系统产生振动的主要原因是由定转子谐波磁场相互作用产生的低阶力波，即谐波频率与转子固有频率相近的径向电磁力波产生的，而不是由定子共振引起的。所以从电磁分析着手，降低该力波幅值是减小电机振动的有效措施。

3. 有限元计算与试验结果对比

由于所研究样机体积较大，受环境限制，所以实验测试是以振动测试为主。用振动分析仪测试后对信号进行了FFT频谱分析。利用所研究的低速直驱式大功率永磁同步电动机结构上多相多单元的特点，将电机自身一个单元接负载电阻处于发电运行，另三个单元接驱动器处于电动运行时完成的测试。不同转速下进行的振动测试和位移测试试验结果分别如图5、图6所示。

从上述两图中的曲线可见，最大的振动加速度和位移均出现在转速为64 r/min附近，对应的角频率为32Hz。该频率与实况模拟有限元计算所得定子一阶模态对应的固有频率37.97Hz相差约16%，存在误差的主要原因是由于试验条件所限，测量的仅是部分单元拖动情况下的结果。此外，在定子建模时是按照整体机构来处理的，没有考虑硅钢片叠压对定子固有频率的影响，机壳和端盖采用“附加质量”的方法处理，都也会带来一定的计算误差，今后工作中会加以改善。37.97Hz频率处有可能产生电机系統的第一个共振点，电机不宜在此转速附近过多停留，应加速迅速通过，以便避开系统共振。

4. 结论

基于有限元方法，对低速直驱式大功率永磁同步电动机定子进行了谐响应分析，随后实施转子不平衡响应的数值分析，最后完成试验比较。本文研究得出的结论如下：

（1）定转子谐波磁场相互作用产生的低阶力波，即谐波频率与转子固有频率相近的径向电磁力波是所研究样机系统产生振动的主要原因。所以从电磁分析着手，降低该力波幅值是减小样机振动的有效措施。

（2）对低速直驱式永磁同步电动机定子的谐响应分析表明，电机定子在各个方向的位移是随周期性应激力作用的时间而逐渐变化的，而且在X和Y方向的位移最大。对振动频率、振动频谱、最大位移等振动信号的分析，可以为设备在线状态监测、故障预测与故障诊断提供必要的依据。

（3）转子的不平衡响应计算及分析结果表明，所研究的电机系统振动的主要是由转子不平衡引起的。而且，转子端部的振动变形最大，在机械强度上应该予以加强。

参 考 文 献

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