电机参数变化对振动噪声的影响研究

·1696·2008全国博士生学术论坛电气工程论文集电机参数变化对振动噪声的影响研究宋志环唐任远于慎波安忠良王巍沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心辽宁沈阳110023【摘要】电机的振动噪声一直是影响电机性能的一个重要因素。尤其是永磁同步电动机，对其振动噪声的研究又具有许多的特殊性。本文利用已编制好的永磁同步电动机振动噪声解析计算程序，对不同结构的永磁同步电动机的振动噪声进行计算和分析。文中首先介绍永磁电机振动噪声的解析计算原理。其中在计算定子谐波磁场时引入了饱和与偏心对气隙磁场的影响，提高了计算的准确性。其次通过计算得出不同极槽配合和永磁体削角等电机参数的变化对振动噪声的影响，着重分析了分数槽绕组结构与整数槽绕组结构的区别和对电机振动噪声的影响。最后对计算结果进行分析从中总结出电机参数的变化对振动噪声的影响规律。【关键词】永磁同步电动机振动噪声极槽配合分数槽StudyontheEffectofVibro-AcousticsforParameterofElectricalMachineSongZhihuanTangRenyuanYuShenboAnZhongliangWangWeiNationalEngineeringResearchCenterforREPMEM，ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110023，Liaoning，ChinaAbstract：Vibrationandnoiseisoneofthemostimportantfactorsfortheperformanceofelectricalmachine.EspeciallythePMmotor，ithasmuchmoredifferencesfromtheelectricalmachine.Inthispaper，theprogramwhichiscalculatingthevibrationandnoiseofPMmachineisfinished.ThevibrationandnoiseofdifferentstructurePMmotoriscalculatedbytheprogram.FirstofallthecalculatingprincipleofvibrationandnoiseforPMmotorisintroduced，thentheinfluencefactorofthemagneticfieldsaturationanddecentrationareconsidered.Sothecalculatingprecisionofvibrationandnoiseisincreasedinthispaper.ThechangedparametersofPMmotorforthevibrationandnoiseareanalyzed；especiallytheinfluenceoffractionalwindingforthevibrationandnoiseisintroduced.Intheend，theinfluenceruleofparameterchangedisobtained.Keywords：PMmachine；vibrationandnoise；Slot/PoleCombination；fractionalwinding随着社会的发展，电动机已经成为工业生产和日常生活中不可或缺的一部分。电机本身也是一种噪声源，它的噪声水平已被列为衡量电机质量的一项重要指标。对于电动机噪声与振动的研究，起源于上世纪40年代。主要是针对感应电动机、同步电动机和直流电动机的噪声与振动特性而展开的研究。而永磁同步电动机是新兴的一种高效特种电机，对其噪声与振动特性进行全面和深入的研究却相当少。永磁同步电动机噪声与振动一直是困扰人们的难题[1]。电机运转时通常有许多种噪声源同时并存，可将这些噪声分为通风噪声、电磁噪声和机械噪声。这些噪声的产生是不可避免的，噪声的大小与设计、制造、安装质量有关。同一种设备的噪声还与其作者简介：宋志环（1982—），男，博士研究生，研究方向为永磁电机及其控制。电话：[phone]，E-mail:[e-mail]通信作者：唐任远（1931—），男，教授，博士生导师，研究方向为特种电机及其控制。电机与电器·1697·运行状况有关，例如电机运行速度不同，其噪声也会有所区别。告诉运转时噪声的主要成分时空气动力噪声，低、中速运行时电磁噪声、轴承噪声则比较突出。本文主要对电磁噪声产生的根源以及不同参数变化对电机噪声的影响作具体分析。1电磁噪声解析法计算原理电机运行时气隙中存在基波磁场和一系列谐波磁场。这些磁场相互作用，会产生作用在永磁电动机铁心上的电磁力。这种电磁力波作用在定子铁心上使定子铁心产生变形，引起电机的振动和噪声。一般而言定子铁心的变形量与力波次数的四次方成反比，与力波幅值成正比。所以要降低永磁电动机的电磁噪声，就要提高电磁力波的次数，避免出现四次以下的电磁力波。而四次以上的电磁力波，在近似计算时一般可以忽略不计。本文针对整数槽和分数槽永磁电机的定子谐波磁场和转子谐波磁场进行分析，得到定、转子谐波磁场的谐波次数和谐波幅值的计算方法。1.1定子谐波磁场的计算为计算电机的电磁噪声，首先必须要计算出定子磁场的谐波次数和谐波幅值。定子谐波次数的计算又由于采用整数槽绕组和分数槽绕组而各不相同。对于三相整数槽绕组的谐波次数计算公式为1(61)νkp=+（1）式中k＝±1，±2，±3…；P——电机的极对数。对于三相分数槽绕组，设每极每相槽数为cbdcqbdd+=+=（2）式中cd——最简分数。当d为偶数时，定子谐波极对数可以表示为12(31)pkdν=+（3）当d为奇数时，定子谐波极对数可以表示为1(61)pkdν=+（4）式中11,2,3k=±±±
。本文参考文献[2]，在计算中引入了磁场饱和与转子偏心因素对谐波磁场幅值的影响。当只考虑到电机转子偏心对气隙磁场的影响时，其气隙磁导的表达式为：01()()gegecgkαµλαΛ=（5）在实际中偏心率ε都小于0.5，因此其气隙磁导的表达式又可以表示为01()(1cos)gecgkαµεαΛ=+（6）·1698·2008全国博士生学术论坛电气工程论文集当考虑磁场饱和时，引入了饱和因数satk。磁场饱和因数的表达式为1120212()tccsatgcVVVkBgkµ++=+（7）式中V1t——定子齿磁压降；V1c——定子轭部磁压降；V2c——转子轭部磁压降；g——气隙长度；kc——开槽因数。气隙磁密的幅值可以通过下式求得(,)()cos()mbtFptαααωφ=Λ−−（8）式中p——电机的极对数；ω——电机的电角频率；φ——磁场轴线与绕组轴线间的夹角。1.2转子谐波磁场的计算永磁电机的转子磁场由永磁体产生，磁场的谐波次数和谐波幅值与永磁体的极弧因数、充磁方向和永磁体形状等因素有关。尤其对于分数槽电机，一个单元电机才是一个循环周期。在一个单元电机内，每个永磁体所对应的定子齿的位置各不相同。这就使转子磁场中不仅包括整数次谐波，还包含大量的分数次谐波。因此分数槽永磁电机的谐波次数和谐波幅值难以用解析表达式计算分析。本文采用电磁场有限元的方法计算出电机的气隙磁密波形，再通过傅立叶分析得出各次谐波的次数和幅值。本文以22极24槽电机为例，计算出该电机的谐波次数和谐波幅值。图1为利用Ansoft软件计算出的电机气隙磁场波形。图1电机气隙磁密波形Fig.1Waveofmagneticfluxdensity计算出气隙磁密波形后，再将数据保存作傅立叶分析，得出转子谐波磁场的次数和幅值。表1为通过傅立叶分析后得到的主要谐波次数和幅值。表15kW永磁同步电动机空载气隙磁密幅值Tab.1Magneticfluxdensityof5kWPMmotor谐波次数91011121333谐波幅值/T0.0032450.0094661.110.010280.0052310.2482谐波次数355556575977谐波幅值/T0.025950.061380.0036310.0077100.018430.020374电机与电器·1699·由表1可知，对于22极24槽电机22个极才是一个单元电机。所以通过傅立叶分析后得出的11次谐波就是该电机的基波。从表中还可以看出，分数槽电机电机中除了包含基波的整数次谐波外还有大量的分数次谐波，因此将增大电机的振动和噪声[3]。2极槽配合对电磁噪声的影响极槽配合选取的不同将直接影响电机的振动噪声和转矩波动的大小。为了得出不同极槽配合对电机电磁噪声的影响规律，本文选取了8极9槽、8极36槽和8极48槽三台径向结构永磁同步电动机对它们的噪声大小进行分析计算。这三台电机的额定功率都为0.9kW，额定转速2000r/min，并且三台电机都具有相同的定、转子外径。首先，利用Ansoft软件对这三台电机进行建模并计算空载气隙磁场波形。然后对气隙磁场进行傅立叶分析如图2、图3和图4所示。图28极9槽永磁同步电动机谐波分析图38极36槽永磁同步电动机谐波分析Fig.2Harmonicanalysisof8pole9slotsPMmotorFig.3Harmonicanalysisof8pole36slotsPMmotor图48极48槽永磁同步电动机谐波磁场分析Fig.4Harmonicanalysisof8pole48slotsPMmotor通过傅立叶分析，得出空载气隙磁场中各次谐波的次数和幅值，再利用编制的软件计算永磁同步电动机的电磁噪声。在计算电磁噪声时，首先计算永磁同步电动机中各径向力波的次数，取出其中次数小于4次的各径向力波来计算电机的振动噪声。本文通过分析计算得出了三台永磁同步电动机的力波次数表[4]。具体计算结果如表2、表3、表4所示·1700·2008全国博士生学术论坛电气工程论文集表28极9槽永磁同步电动机的主要力波次数Tab.2Ordersofmagneticpressurefor8pole9slotsPMmotorµν56710111213141520-5012721010430－1－2－3－4－11－4－101234133210－1－2－14－4－3－2－101164321－4194－1222注：下划线处为定子齿谐波表38极48槽永磁同步电动机的力波次数Tab.3Ordersofmagneticpressurefor8pole48slotsPMmotorµν20284452687692100-200280－440520－680760－9201000注：下划线处为定子齿谐波表48极36槽永磁同步电动机的主要力波次数Tab.4Ordersofmagneticpressurefor8pole48slotsPMmotorµν8123240485055567076804－320－400－5242－356－10682－760注：下划线处为定子齿谐波从表3中可以看出8极48槽永磁同步电动机的力波次数都为0次，这是因为在整数槽永磁同步电动机中，径向力波的次数只能为0次或者2P次。而当永磁同步电动机的极对数大于2时，需要计算的力波次数只能为0，因为大于4次的力波对振动噪声的影响在近似计算中可以忽略不计。所以在整数槽电机中引起电机振动和噪声的径向力波的数量相对较少，其产生的振动噪声值也比分数槽电机要低。而8极9槽和8极36槽永磁同步电动机，由于是分数槽电机其定、转子谐波波谱比整数槽电机的波谱电机与电器·1701·密。从表2和表4中可知，8极9槽和8极36槽电机中不仅有0次力波而且还包含有许多力波次数小于4次的径向力波，这些力波的存在将增大永磁同步电动机的振动和噪声[5]。本文通过编制计算软件，采用场路相结合的方法对8极48槽、8极9槽和8极36槽三台永磁同步电动机的电磁噪声进行计算分析。并把计算结果与实测值相比较，其结果如表5所示。表5不同极槽配合电磁噪声的计算Tab.5Calculationofelect