永磁同步电机电磁振动数值预测与分析

谷泓泽

摘 要 永磁同步电机在诸多领域都有广泛应用，其中分数槽集中绕组的永磁同步电机，凭借着其高密度、高效率的特点受到了广泛关注。但由于电磁力的激发，噪声以及电机振动问题更加突出，为了追求更高品质的永磁同步电机，噪声以及电机振动的大小成为了评价电机性能的重要标准，由此预测与分析永磁同步电机的数值是改善电磁同步电机性能的重要措施，对电磁振动数值进行预测也表现出不容忽视的实践意义。本文就永磁同步电机电磁振动数值预测与分析这一课题进行了探讨。

关键词 永磁同步电机；电磁振动数值；电磁力；定子等效

中图分类号 TM3 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0159-02

永磁同步电机在汽车、船舶、家电等多个领域都有应有，其中的分数槽集中绕组的永磁同步电机，依靠着其高密度以及高效率得到了广泛的关注分数槽集中绕组永磁同步电机因为其齿槽转矩更低，容错性能更佳，弱磁能力更高，在实际中的应用也更受青睐。分数槽集中绕组的电机与整数槽电机相比，其空间阶数更低，可由于电磁力的激发，噪声以及电机振动的问题也更加凸显。随着电机振动问题的突出，对电磁振动预测也成为了研究的热点。目前，电磁振动的计算主要是利用数值计算方法以及解析法实现的。通过利用解析法，在二维平面内进行振动模型的建立，但是该种方法尽管能够在短时间内得到计算结果，但是会因为忽略了端盖以及绕组对结构的干扰，而对计算的精度产生影响。现阶段，随着永磁同步电机的推广，电磁振动测量问题亟待解决。

1 计算流程——电磁振动

永磁同步电机在计算电磁振动时，还需要计算定子齿表面的电磁力。这是由于其电磁振动是指作用与定子齿表面的电磁力所引發的振动。针对六级九槽分数槽的集中绕组电机为例进行分析，其定子结构如图1所示。计算电磁振动时，需要对电磁力的有限元模型进行构建。对于六级九槽电机而言，其在空间上有3个周期，同时由于端部效应不突出，且绕组较短，电磁有限元模型在构建结束后只会是1/3二维模型。依据电机的轴向周期性，且假设电磁力能够保证沿轴分不一致的情况下，可以把1/3的二维电磁模型扩展到三维模型。

目前的调速永磁同步电机目前，多以变频器的方式进行供电，但在电流谐波的影响下，电磁振动也会产生变化，对进行测定三相电流信号可以利用电流传感器进行，从而构造电流谐波作用下的电磁力有限元模型。之后建立定子结构的有限元模型，利用单独定子铁心以及整个定子构成的模态试验，对绕组以及铁心硅胶片模型进行等效验证。利用对齿面上的结构网格节点以及电磁网格节点的控制，达到一致性分布，把电磁力转移至结构网络上，能够将电磁力差值以及等效作用引发的加载误差有效避免，在进行定子表面振动的测定时，采用模态叠加的方法，并在此基础上加以验证，具体流程如图2所示。

2 仿真计算及分析——电磁力

构建1/3电磁的有限元模型时，需要依照六级九槽电机的空间周期性完成，在进行模型计算的过程中，也能得出空载状态下电机的相反电动势波形。在3 000r/min的运行状态下，实测能够得到实际状态下的空载相反电动势波形。理论状态与实际情况对比如图3所示。图3不难看出，这两种波形直观上能够达到基本吻合的状态，也说明了利用此电磁模型计算得到的电磁力是相对准确的。试验采用的转速是3 600r/min，且负载是2.7N·m，整个试验是在明确了电流谐波会对电磁力以及电磁振动产生影响的状态下进行的。模型中电流信号以点序列的方式进行加载，由此可计算电流谐波影响下，位于定子齿表面的电磁力分布，如图4所示。

通过对定子齿表面某点径向力波频谱的观察，可以发现电磁力频谱主要分布在两个区域，一部分区域的电磁力主要来源于径向力波（由电流基波产生），另外一部分电磁力则来源于电流谐波所产生的电磁力（满足fA=（6k±1）f特征）。电流谐波产生的电磁力，必须具有fA±f=（6k±1）f±f计算公式下的频率特征。实际上，频率特征和电流基频在计算上存在着偶数倍关系，这一点与理想正弦波供电下的电磁力频率特征相一致。由此可见，存在的电流谐波并会激起额外的电磁力。另一部分的电磁力主要集中于开关频率附近，电磁频率成分满足a为整的fc+af的电磁力，以及与之对应的谐波频率（fc+（a±1）fc）。

3 仿真计算与试验验证

在明确定子结构模型且电磁力分布的背景下，利用模态叠加法能实现对定子表面的振动响应进行计算的目的，如果想要对仿真的计算结果进行验证试验，可采用对比分析的方法，利用电机振动试验进行对比验证。分析结果显示，在3 600r/miin且负载扭矩是2.7N·m时，电机的径向振动和实测结果是相吻合的，并且可以真实反映出电磁振动的总体分布情况，以及其中的主要频率成分，但此种方法还是存在缺点，其高频段振动吻合度不高，难以完全地吻合。这是由高频振动难以准确测量，和结构模型验证难度相对较大造成的。

4 结论

总之，通过电磁振动中的半解析计算法，利用有限元方法对电磁力进行计算，最终借助模态叠加的方法实现对电磁振动的计算。但是，该方法不能解决复杂定子结构的电机计算，更多的学者倾向于爱用数值计算方法。但目前，关于预测电机数值仍存在两个难题，分别为空间旋转时的电磁力波（非均匀分布）会加载到有限元的结构模型上；在定子建模中硅钢片与绕组的叠压效应等效。通过本文的探究，希望能够为永磁同步电机电磁振动进行准确的预测提供思路。

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