永磁无刷直流电机噪声分析

王建淞

(大庆宏伟庆化石油化工有限公司,黑龙江大庆 163000)

0 引言

随着永磁材料、现代电机理论、电子电力技术的快速发展,1970年德国研发成功了永磁无刷电机,不久之后,各国开始研究永磁直流无刷电机,比如美国GM,日本Fanuc,德国Simens等,因电机具有调速范围宽,机械性能好,结构简单等优点,应用在汽车领域,工业自动化设备领域,电动自行车领域以及高精密医疗器械领域等[1]。永磁直流无刷电机作为关键部件,已成为研究热点。但与发达国家还存在一定差距,噪声是电机一个重要指标,1996你那我国颁布关于环境电气设备噪声污染防治法,随着电机应用领域的快速扩展,该指标的重要性也越来越凸显。同时电机振动噪声也会影响设备的使用寿命,因此,本文开展对永磁无刷直流电机振动噪声分析,研究抑制噪声方法。

1 国内外研究现状

英国Sheffield大学的教授诸自强是最早研究永磁电机、与其控制系统和振动产生噪声的特性之间的关系的其中一位学者。1993年期间,他应用解析计算方法算出永磁直流电机中的无刷电机的瞬间状态磁场的分布,并以此对开路及电枢反应场、定子的齿槽反应以及负载下磁场的反应等四种情况进行推导[2]。

法国的学者在1995年间对有电流和无电流的谐波振动和转矩的脉动的实验进行计算中发现三相的不对称,电流对切向的脉动存在较大影响,对径向的振动存在较小的影响。2000年,芬兰的学者对同步电机磁场产生的振动与噪声的力源进行研究,同步发电机内电磁场产生的引起振动与噪声的来源,采用有限元与时步的方法对电机中的电磁场进行解析计算,麦克斯韦张量的计算方法应用在定子的铁芯内的径向分布,解析径向的频谱,与所测电机的噪声进行互相比较。

2006年,沈阳工大设立了增加了时间的矩阵,并加入计算机电耦合,针对电机转子和定子的动态特性耦联作为整体,对其噪声与振动的性质进行针对性的研究。传统理论中电机力波的频率即为其固有的频率,发生共振噪声。2001年,意大利通过二维的电磁场进行系统分析,使定子的永磁体两端部成菱形形态,使电机转矩的脉动减少,噪声也对应减少。2002年,日本松下对表面式的永磁电机进行增加其气隙的长度,使其气隙中的径向应力更平滑,减少电机的噪声;2009年,哈工大的研究证明用噪声测试来分析电机的脉动相关问题是合理且有效的。通过噪声与电机的频率关系, 能够精准地确定噪声和振动的来源。

2 解析分析

一般情况,两种永磁直流电机(即有刷直流和无刷直流)相比,因为规避了电刷与换向器之间的磨擦,所以噪声不认为是主要存在的问题。但经过实践验证,永磁无刷电机在一些特殊的状态下会产生比较大的噪声,这是因为无刷电机用交流电经过整流进行供电,纹波会变大;用里外圆弧形一样的曲率制作永磁体中的瓦形片,使其磁场分布为梯形,供电的电流采用方波供电,正弦波与电势电流存在较大差异,从而产生波动造成切向和径向的振动,导致产生噪声。

电磁所产生的噪声主要源于电磁振动,而振动则是由电机的气隙磁场作用在电机的铁心所产生的电磁力所引发的。定子的绕组磁势和永磁磁势以及气隙磁导决定了气隙磁场。定子的铁心上所产生的磁力分为两组分量为切向和径向。噪声主要来源是由于径向分量可使铁心发生振动并变形;噪声次要来源是由于切向分量与电磁转矩形成相反的作用力,使芯齿对其根部变弯,从而产生局部的振动以及变形。

永磁电机中的无刷电机,主磁通沿着径向进入电机气隙,对定转子产生径向力,从而使电磁发生振动进而产生噪声。在电机不对称或是在单相电机这种场合,产生切向的振动会变大,致使与电机相连的部件产生共振,进而产生噪声。因此首先要对气隙中的磁通密度分布进行分析,其密度分布用磁势乘磁导的方法进行计算。

气隙磁势f(θ,t)与磁导λ(θ,t)的乘积为

b(θ,t)=f(θ,t)λ(θ,t)

(1)

经过傅里叶级数进行分解,μ次主极磁场的谐波磁密幅值Bμ

(2)

得出空载的气隙磁场公式

(3)

电机径向力波公式

(4)

3 有限元分析

电机工作时,由于气隙中径向电磁力作用,使得定子铁心和机座产生周期性振动,产生脉动噪声。一般低次谐波的容易产生径向变形,故研究五次以下的径向力波对电磁噪声影响。

3.1 极槽配合

针对4极结构,6槽、12槽、24槽、36槽四台电机建立二维结构图,通过有限元计算电机磁密分布,见图1、图2、图3、图4。

图2 12槽电机云图

图3 24槽电机云图

图4 36槽电机云图

然后计算磁密谐波分布,见表1,对比结果可以得出,6槽电机因为为分数槽结构,噪声要大于12槽、24槽、36槽的整数槽振动噪声。

表1 电磁噪声值

3.2 极弧因素

极弧因数是电机设计中的一个重要的参数,正确的应用电机极弧因数可以有效的削减甚至清除气隙磁密谐波。对4极6槽的无刷电机极弧因数影响进行噪声分析,在电机铁心长度不变但因数变化的情况下,对定子绕组的线圈数进行调整来维持反电动势大致不变,极弧因数对噪声产生的影响如表2所示。

表2 不同极弧系数下噪声值

表3是保持定子绕组数不变,调动气隙的长度使电机在不同因数状态下,反电动势保持不变,电磁产生的噪声变化如表3所示。从表2中可以看出,在永磁体的厚度与气隙的长度都保持不变的情况下,电机的噪声明显增加,从表3中可以看出,在磁体厚度保持不变的情况下,其因数增大了,气隙长度也同时增大,减弱了电机气隙谐波,同时降低了电磁的噪声。

表3 不同极弧系数和气隙长度下噪声值

3.3 永磁体

从表4中可以看出,磁体磁化方向上的长度与气隙长度等比例变动时, 随磁化方向上的长度的变大,气隙的磁密值增加了,但电机气隙的磁密波的畸变概率也相应降低了,电磁的噪声也明显降低,由此看出电机谐波的磁场被减弱了。所以,磁体磁化方向上的长度与气隙长度等比例变动时,磁化方向上长度的变化对电磁噪声产生的影响要弱于气隙长度的变化对电磁噪声产生的影响。

表4 基波磁密与波形畸变率

从表5中可以看出,随着δ/δmin的增大,电磁产生的噪声值逐渐变大。虽然气隙磁的密形度更好,电机的效率也增高了,但电磁产生的噪声值也随之变大了。从表6中可以看出, 随着δ值的增大,电磁产生的噪声值有所降低,但磁体中间部分的厚度也降低了,所以会相应加大磁体的厚度,这就导致磁体的使用量变大。

表5 噪声值

表6 永磁体形状与噪声值关系

3.4 定子槽

槽口为半开槽口,从装配工艺方面来说,一般以电机绕组易嵌入为准,因为,槽口不仅会影响气隙谐波,还会影响齿槽转矩,槽口宽度对电磁噪声影响的计算结果如下图5,可以看出,随着槽口宽度增加,电磁噪声正比例增加。槽口高度对电磁噪声影响,有限元计算结果如图6,随着高度增加,电磁噪声在降低。

图5 槽口宽度与电磁噪声关系

图6 槽口高度与电磁噪声关系

4 结语

本文以4极永磁无刷直流电机为研究对象,对国内外研究现状进行分析,从公式解析法和有限元分析法两方面对永磁无刷直流电机进行计算,分析了极槽配合、极弧因素、永磁体以及定子槽尺寸对永磁无刷直流电机噪声影响规律,从而获得在保证电机性能前提下,抑制噪声方法。