多相異步電機電磁噪聲研究

唐劍飛 王林

(中國艦船研究設計中心軍事代表室，武漢 430064)

0 引言

相比普通三相電機，多相電機具有噪聲小、能缺相運行等優點。但隨著相數增多，電機的電磁場的有限元分析變得越發復雜。有限元法能較好地解決電磁場計算中的通用性與精確性的問題。通過設定電機的模型、材料屬性、激勵、初始狀態等條件后，可以通過有限元方法計算出該電機任意時刻的運行參數，進而分析電機的噪聲情況。由于所研究異步電機無通風道設計，使用二維（2D）有限元已經可以滿足計算精度，故文中所涉及的異步電機的仿真是利用Ansoft軟件[1]中的Maxwell 2D求解的。

1 空載條件下的電機電磁場分析

以某型雙Y移30°六相電機為例，仿真時其外電路設置如圖1所示。

通過處理穩定運行時電機電磁場，得到氣隙磁密徑向分量如圖2所示。

圖1 外電路設置

通過仿真可以得到某型樣機在繞成3相或6相，在不同短距比條件下空載氣隙磁場的徑向分量頻譜，如圖3至圖6所示。

對比圖3至圖6可以看出，在定子結構相同，相數不同或節距不同時，諧波的主要成分相同。在三相電機的氣隙磁密中含有明顯的 5、7次等6k±1次諧波，而六相電機的氣隙磁密中則含有明顯的11與13次等12k±1次諧波。當短距比不同時，電機對應諧波的幅值不同。在所給出的四種短距比中，短距比為5/6對應的三相電機的5、7次諧波幅值最小，而短距比為 11/12對應的六相電機氣隙磁場中的11與13次諧波幅值最小。通過對氣隙磁場進行計算[2]，可以得到樣機在不同條件下氣隙磁密頻譜與定子鐵芯所受徑向力頻譜，見圖7、圖8。對比圖7與圖8可以看出，在定、轉子槽數采用近槽設計后氣隙電磁場以及徑向力波的構成無明顯變化。

圖2 氣隙磁密的徑向分量

圖3 短距比為3/4時磁密頻譜（a為三相，b為六相）

圖4 短距比為5/6時磁密頻譜（a為三相，b為六相）

圖5 短距比為11/12時磁密頻譜（a為三相，b為六相）

圖6 短距比為1時磁密頻譜（a為三相，b為六相）

圖7 轉子槽數為45時氣隙磁密頻譜與定子鐵芯所受徑向力頻譜

圖8 轉子槽數為47時氣隙磁密頻譜與定子鐵芯所受徑向力頻譜

所受徑向力頻譜，在對不同條件下頻譜圖進行分析后可以得到與磁場分析大體相同的結論。因此，從減小諧波含量以減小電機噪聲的角度考慮，當電機繞成三相時，短距比應取為 5/6，而電機繞成六相時，短距比應取為11/12。

利用相同方法得到定子繞組繞成六相、轉子槽數為 45和47、短距比為 11/12時氣隙磁密徑向分量頻譜與定子鐵芯所受徑向力及對應頻譜如圖7與圖8。

2 負載對電機定子鐵心所受力波的影響

當異步電機由空載過度到負載運行時，轉子轉速變化不大，但隨著負載的變化，轉子電流會發生較大變化，從而引起氣隙磁場變化[3]，最后導致電機噪聲相與空載時存在較大差別。另一方面，轉子電流增加會使作用在定子上的作用力變大，導致定子振動位移加大，進而增加電機噪聲[4]。圖9為樣機繞制成六相、短距比為 5/6時，不同的負載轉矩條件下通過Ansoft分析得到的電機定子鐵芯所受徑向力頻譜。其中 a、b、c、d分別對應負載轉矩為0 N·m（空載）、20 N·m、40 N·m與54.2 N·m（滿載）條件下的仿真結果。

圖9 不同負載條件下定子鐵心所受徑向力頻譜

通過對比可以看出，隨著負載的增加，電機鐵心受到的各次徑向力幅值出現了不同程度的增長，因此負載條件下，電機所發出的電磁噪聲將會高于空載下的噪聲值。正常工作的電動機都是帶載運行的，有必要研究電機的負載噪聲抑制方法。

3 結束語

本文利用 Asoft軟件，對不同短距系數與不同轉子槽數條件下的空載及負載時的電機運行情況進行了仿真。利用仿真得到的電磁場數據計算了不同條件下氣隙磁密徑向分量頻譜與定子所受徑向力頻譜，并對各頻譜的構成進行了分析。

對比得出了為減小氣隙磁場的諧波含量，三相電機的短距比應選擇 5/6，而六相電機的短距比應選擇 11/12的結論。根據電磁場數據計算出了不同條件下氣隙磁場的徑向分量頻譜與定子所受徑向力頻譜，并對各頻譜的構成進行了分析。通過分析空載與不同負載條件下的電機磁場數據，得出了負載會增加氣隙磁場徑向分量及定子鐵芯所受電磁力中所含的諧波的幅值，進而會增加電機噪聲。

[1]劉國強, 趙凌志, 蔣繼婭. Ansoft工程電磁場有限元分析[M]. 北京, 電子工業出版社, 2005: 92-97.

[2]陳永校, 諸自強, 應善成. 電機噪聲的分析和控制[J]. 山東科技大學學報, 2000, 19(3): 80-82.

[3]王益紅. 異步電動機的負載噪聲分析[J]. 山東科技大學學報, 2000, 19(3)：80-82.

[4]祝長生, 陳永校. 變頻器供電的三相異步電機的噪聲特性[J]. 中小型電機, 1997, 24(5): 9-12.