磁性槽楔对永磁同步电机电磁振动影响分析

詹宇声，张宸菥，邓智浩

磁性槽楔对永磁同步电机电磁振动影响分析

詹宇声，张宸菥，邓智浩

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉，430064）

首先分析永磁同步电机定子开槽情况下的空载气隙电磁激振力波表达式。结合有限元方法分析采用磁性槽楔和常规非磁性槽楔对气隙磁场和电磁激振力波的影响。使用电磁-振动耦合仿真，分析磁性槽楔对电磁振动的影响。结果表明，磁性槽楔可以降低气隙磁场畸变，显著降低齿频附近的激振力波分量幅值，从而有效地降低电机的电磁振动。

永磁同步电机 电磁振动 磁性槽楔

0 引言

永磁同步电机凭借其结构简单、效率高、重量轻等优势，在电动汽车、船舶、航空航天等行业得到了越来越广泛的运用。与此同时，降低永磁同步电机的振动也成为了亟待解决的问题。

永磁同步电机的振动包括电磁振动和机械振动，其中由径向电磁激振力引起的径向电磁振动占振动的主要部分[1～2]。在电磁振动的各个组成成分中，由于定子开槽造成气隙磁场畸变，从而引起的齿频及其附近频率的振动，具有频率低、幅值大、危害高、消除难度大的特点[3]。因此，削弱齿频振动具有非常重要的意义。目前消除齿频振动的方法主要有采用半闭口槽、斜槽或斜极结构[4]，但这些方法都会增加施工的难度，提高生产成本。而采用磁性槽楔，可以改善开槽引起的气隙磁场不均匀程度，抑制齿谐波磁场，从而降低齿频电磁振动[5]。

本文以一台内转子表贴式永磁同步电机作为研究对象，结合理论分析和有限元仿真计算，分别对使用普通非磁性槽楔和磁性槽楔时的气隙磁密和空载电磁激振力波进行对比分析，解释磁性槽楔影响电机振动性能的机理。通过电磁-结构耦合仿真，研究采用磁性槽楔对电机齿频振动的抑制效果，验证理论分析的正确性。

1 磁性槽楔对电磁力影响分析

当定子开槽时，径向气隙磁密可以表示为[6]：

式中：——永磁体正对的定子齿中心线和永磁体中心线的夹角

B——次主极磁场的谐波磁密的幅值

∧0——气隙主平均磁导

——电机旋转的角速度

——电机转子极对数

∧K——气隙第次谐波磁导的幅值

Z——定子槽数

式（1）中，r的表达式共有两项，前一项也可看做是气隙长度为c且均匀时的主极磁场，后一项为定子开槽导致的周期性变化的附加磁场，其中，为气隙长度，c为卡特系数：

式中：1——定子的齿距；b1——定子槽口宽。

根据麦克斯韦应力张量理论，永磁同步电机的径向力波p可以通过气隙磁密r求得[7]：

其中，项3为定子自身磁场作用产生的力波，项4和项5为定子磁场和转子磁场相作用产生的力波，这3项都包含了定子开槽产生的附加磁场造成的附加力波。当采用磁性槽楔时，由于磁性槽楔降低了开槽对磁场的影响，提升了磁场的均匀程度，所以可以有效的降低3、4、5三项力波成分，从而降低电机振动。

2 径向电磁力有限元分析

本文的研究对象是一台16极96槽永磁同步电机，其外形和定子结构如图1所示。

图1 永磁同步电机及其定子外形图

由于此电机采用直槽、非斜极的结构，忽略端部影响，电机的气隙磁场在沿轴方向上处处相等，所以可以建立二维剖面模型来分析气隙磁场。在Ansoft 2D中建立电机的二维仿真模型，采用非磁性槽楔和磁性槽楔的结构示意图如图2所示。

图2 非磁性槽楔和磁性槽楔结构仿真模型

分别提取两种方案气隙中心线处的径向气隙磁密波形，如图3，波形图的横坐标为气隙中心线上某位置与起始位置的角度差。由图3可以看出，采用磁性槽楔后，径向气隙磁密的畸变有所降低。

图3 空载径向气隙磁密波形

分别将图3中的径向气隙磁密波形进行空间快速傅里叶分解，结果图4所示。其中8阶分量为气隙磁密的基波，24阶和88阶分量分别为3次谐波和11次谐波。通过分析结果可以发现，采用磁性槽楔后，气隙磁密基波分量提升，谐波分量降低，改善气隙磁密的正弦度，可以提高永磁体利用率，增加电机输出转矩。

图4 空载径向气隙磁密FFT分析

根据式(4)，由气隙磁密r的波形运算得到径向力波r，提取两种方案气隙中心线处的r波形，并对其做空间快速傅里叶分解，结果分别图如图5和图6所示。

图5 空载径向气隙电磁激振力波形

图6 空载径向气隙电磁激振力FFT分析

根据前文的分析，采用磁性槽楔可以有效的降低定子开槽引起的磁场畸变，所以我们重点关注齿频（对应96阶次）附近的电磁激振力分量变化情况。对比图6的结果，可以发现，采用磁性槽楔后，96阶次和112阶次的电磁激振力分量都出现了明显的降低，从而可以有效的降低齿频附近的电机振动。

3 径向电磁振动仿真分析

采用文献[8]的方法进行电磁-振动多物理场耦合仿真，仿真的准确性在文献中已经得到证明。在ANSYS Workbench中，将Ansoft 2D的定子受力仿真结果作为输入，导入到Harmonic Response模块中，得到使用非磁性槽楔和磁性槽楔两种方案下电机定子机壳外表面处的径向振动加速度频谱图，如图7所示。

图7 振动加速度频谱

根据前文分析，采用磁性槽楔会降低齿频（480 Hz）附近的的电机振动，所以我们主要关注齿频附近的振动加速度幅值。在表1中，列出了齿频附近500 Hz以内的总振动加速度分贝值。由仿真结果对比可以看出，采用磁性槽楔后，齿频振动和电机的总振动都出现了明显下降，证明了前文分析的准确性。

表1 电机振动加速度分析结果

4 结论

本文以一台16极96槽永磁同步电机为例，结合理论分析和有限元验证的方法，分析了采用磁性槽楔和常规槽楔对电机振动的影响，通过研究得出以下结论：

1）磁性槽楔可以降低定子开槽造成的气隙磁场畸变，提高气隙磁场的正弦度。

2）磁性槽楔可以降低气隙低阶电磁激振力波，尤其是齿频附近的激振力波分量，从而有效的降低齿频附近的电磁振动，达到降低电机振动的效果。

[1] Wang S, Hong J, Sun Y, et al． Exciting force and vibration analysis of stator permanent magnet synchronous motors [J]． IEEE Transactions on Magnetics, 2018, 54(11): 8108205．

[2] Han Z, Liu J, Gong C, et al． Influence mechanism on vibration and noise of PMSM for different structures of skewed stator [C]∥2017 20th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS)，2017．

[3] 张磊, 吴新振. 磁性槽楔对同步发电机参数与性能的影响[J]. 大电机技术, 2020(03): 32-35+50.

[4] 张守首, 郭思源. 考虑分段斜极和磁性槽楔的永磁同步电机磁场解析方法[J]. 电工技术学报, 2019, 34(01): 11-22.

[5] 柳文, 赵乾麟. 降低无刷直流电机电磁噪声的方法[J]. 机电产品开发与创新, 2013, 26(01): 77-79.

[6] 黄厚佳, 李全峰, 徐余法．小功率表贴式永磁同步电机径向电磁力波特性研究[J]．电机与控制应用，2018, 45(8): 74．

[7] ISLAM M, ISLAM Ｒ, SEBASTIAN T． Noise and vibration characteristics of permanent magnet synchronous motors using electromagnetic and structural analyses[J]．IEEE Transactions on Industry Applications, 2014, 50(5): 3214．

[8] 詹宇声, 祝后权, 周贵厚. 斜槽对永磁同步电机径向激振力波及振动的影响[J]. 电机与控制应用, 2019, 46(05): 36-40+71.

Analysis on Vibration of Permanent Magnet Synchronous Motor with Magnetic Wedges

Zhan Yusheng, Zhang Chenxi, Deng Zhihao

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM341

A

1003-4862（2021）07-0045-04

2020-12-28

詹宇声（1992-），男，博士研究生。研究方向：推进电机设计。E-mail：344347683@qq.com