新型可變磁通磁阻電機(jī)振動(dòng)和噪聲研究與開關(guān)磁阻電機(jī)的比較

摘 要：本文主要介紹一種新型可變磁通磁阻電機(jī)振動(dòng)和噪聲，其研究方法主要是通過(guò)電磁和機(jī)械的有限元方法進(jìn)行計(jì)算的。這種電機(jī)使用與開關(guān)磁阻電機(jī)相比雖然有一定的相同之處，但是由于這種電機(jī)在定子側(cè)增加了一套直流勵(lì)磁繞組，因此，會(huì)在很大程度上將電機(jī)所產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲削弱。文章在介紹完新型電機(jī)之后，通過(guò)實(shí)證來(lái)對(duì)新型可變磁通磁阻電機(jī)振動(dòng)和噪聲研究與開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行比較，以此來(lái)更深入的對(duì)新型可變磁通磁阻電機(jī)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度；永磁交流機(jī)；開關(guān)磁阻電機(jī)

中圖分類號(hào)：TM352 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 14-0000-03

近幾年來(lái)，轉(zhuǎn)子分段斜極技術(shù)在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和機(jī)械永磁同步電機(jī)振動(dòng)最小化中被廣泛應(yīng)用。本文主要利用三維有限元法對(duì)軸向磁不平衡力永磁同步電機(jī)進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，分析結(jié)果表明，軸向堆棧長(zhǎng)度和定子徑向通風(fēng)管對(duì)于軸向磁拉力的影響很小，而轉(zhuǎn)子斜槽的步數(shù)和電樞電流幅值對(duì)軸向磁拉力卻具有較高的影響。

一、轉(zhuǎn)子分段斜極技術(shù)簡(jiǎn)介

目前，大型低俗直驅(qū)永磁同步電機(jī)憑借著自身高轉(zhuǎn)矩密度、高效率和緊湊的結(jié)構(gòu)等諸多優(yōu)勢(shì)占據(jù)了較大的市場(chǎng)，比如說(shuō)，海上風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用等。但是，不良的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，如果不能將其相關(guān)數(shù)值控制在低于允許的最大值內(nèi)，那么就會(huì)在很大程度上造成機(jī)械的危險(xiǎn)振動(dòng)。所謂轉(zhuǎn)子分段斜極技術(shù)，主要指的是轉(zhuǎn)子通過(guò)一定的離散步驟，簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和組件，以此來(lái)降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率，減少永磁同步電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)與噪聲。然而，轉(zhuǎn)子分段斜極將不可避免地導(dǎo)致一定程度的機(jī)器咋整體的輸出功率的損害。

除此之外，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子分段斜極技術(shù)所采用的軸對(duì)稱和軸向磁平衡力，會(huì)在很大程度上對(duì)軸向振動(dòng)和軸承造成影響。因此，軸向電磁力成為了轉(zhuǎn)子分段斜極技術(shù)的一個(gè)主要缺點(diǎn)，我們必須對(duì)軸向磁場(chǎng)不平衡力的特征性給予高度重視。然而，復(fù)雜的三維有限元分析具有較高的計(jì)算強(qiáng)度，是轉(zhuǎn)子分段斜極準(zhǔn)確評(píng)價(jià)軸向磁不平衡力的一項(xiàng)必不可少的技術(shù)。目前，我國(guó)對(duì)于轉(zhuǎn)子分段斜極技術(shù)的研究，大多都將重點(diǎn)放在了降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)上，卻忽略了軸向磁場(chǎng)力的不平衡。

總的來(lái)說(shuō)，目前我國(guó)對(duì)于軸向磁力的永磁同步電機(jī)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的障礙研究較少，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展腳步的不斷加快和高度復(fù)雜的并行計(jì)算電機(jī)設(shè)計(jì)軟件的不斷完善，給此方面的研究提供了新的積機(jī)會(huì)，以此來(lái)有效研究不平衡的軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)的力特性。

二、對(duì)軸向磁力特性造成影響的參數(shù)

（一）軸向堆棧長(zhǎng)度

通常情況下，機(jī)器的扭矩和功率的軸向堆棧長(zhǎng)度幾乎是成正比的，軸向疊長(zhǎng)度對(duì)機(jī)器的軸向電磁力特性的影響是通過(guò)三維有限元分析引起的。不失一般性，軸向磁場(chǎng)力的機(jī)器軸堆棧長(zhǎng)度為25%到100%的原始長(zhǎng)度，具體內(nèi)容如圖1所示。對(duì)額定電流激勵(lì)評(píng)估和描繪的結(jié)果則如圖2所示，從圖中我們可以看出，軸向磁力與電磁轉(zhuǎn)矩不同，其對(duì)軸向堆棧長(zhǎng)度沒(méi)有較為明顯的反映，其平均軸向電磁力在這些機(jī)器的差異在8%之內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，較長(zhǎng)的軸向堆棧長(zhǎng)度會(huì)在很大程度上導(dǎo)致軸向磁力脈動(dòng)量較大。隨著軸向堆棧長(zhǎng)度的一個(gè)或兩個(gè)數(shù)量大于分析機(jī)的有效的空氣間隙長(zhǎng)度的大小。因此，該軸向棧優(yōu)勢(shì)在端部效應(yīng)和軸向相互作用下，存在非常小的影響。

（二）定子徑向通風(fēng)風(fēng)道

通常情況下，新型可變磁通磁阻電機(jī)有一個(gè)較大數(shù)量的定子徑向通風(fēng)風(fēng)道，會(huì)在定子上引入額外的層面，同時(shí)，也會(huì)對(duì)軸向磁通的密度分布產(chǎn)生一定的影響，這些因素都是在軸向磁拉力研究中不容忽視的。定子通風(fēng)風(fēng)管和兩步轉(zhuǎn)子斜極額定電流激勵(lì)下的機(jī)器中的軸向磁力的三維有限元分析顯示結(jié)果如圖3所示，其可以檢查到軸向磁拉力波形在相同剖面下不同的脈動(dòng)平均值。作為通風(fēng)管道的軸向長(zhǎng)度，一定要比定子分堆小得多，而且這些管道之間是不存在相互影響的。此外，定子徑向通風(fēng)風(fēng)道將不可避免的減少機(jī)器有效的堆棧長(zhǎng)度。總體而言，定子徑向通風(fēng)風(fēng)道機(jī)器不會(huì)影響到軸向磁力脈動(dòng)，只能減少近9%的平均軸向電磁力。

（三）相電流的振幅

機(jī)器內(nèi)部構(gòu)成電磁場(chǎng)的主要包括兩個(gè)部分：一是從PM激發(fā)，另一個(gè)是定子電樞反應(yīng)。通常情況下，相電流的幅值增加，電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的軸向磁場(chǎng)力的貢獻(xiàn)也就越來(lái)越重要。在機(jī)器上用兩步轉(zhuǎn)子斜槽的電流激勵(lì)振幅的不同進(jìn)行了軸向磁力的波形和頻譜相應(yīng)的分析，分析結(jié)果如圖4。它可以從平均軸向磁力在機(jī)路為零的條件和軸向磁力將作為齒槽力數(shù)據(jù)觀察。作為當(dāng)前的增幅回升，兩者的幅度和波動(dòng)的軸向磁力幾乎成比例增大。同時(shí)，它也可以看出，諧波脈動(dòng)分量的主導(dǎo)利郎，第二個(gè)出現(xiàn)在上面的電流達(dá)到額定值的75%，推力波動(dòng)很小，幾乎可以忽略不計(jì)。

（四）電流的相位角

電流的幅值增加也是機(jī)器使用的一個(gè)重要因素。電流的相位角的控制通常是對(duì)相電壓以及輸出功率進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范。因此，它揭示了相應(yīng)的沖擊電流的相位角對(duì)機(jī)器的軸向磁力特性的影響。該電機(jī)額定電流激發(fā)的各種電流的相位角和下步轉(zhuǎn)子斜槽軸向磁力特性的三維有限元分析。軸向磁力波形推導(dǎo)和描述如圖5所示。它可以很容易地觀察到E軸向磁拉力波形變化明顯隨著電流的相位角變化而變化。然而，該轉(zhuǎn)子斜槽的步數(shù)只會(huì)改變軸向磁力的大小而不改變形狀。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，軸向堆棧長(zhǎng)度和定子徑向通風(fēng)所提出的永磁同步電機(jī)空氣導(dǎo)管上的軸向磁力的影響并不顯著，而相電流幅度的平均值和軸向磁力脈動(dòng)幾乎成比例的。同時(shí)，結(jié)果顯示更高的轉(zhuǎn)子斜槽的步數(shù)將不可避免地導(dǎo)致更大的價(jià)值和軸向磁場(chǎng)力的脈動(dòng)。此外，該電流的相位角也可以顯著影響的軸向磁不平衡力特性。本文的研究結(jié)果可作為輔助材料輔助機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和優(yōu)化。軸向電磁力計(jì)算結(jié)果可用于進(jìn)一步開展力學(xué)分析，可以揭示潛在的振動(dòng)和軸承系統(tǒng)甚至損壞。

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[作者簡(jiǎn)介] 張利榜（1981.04-），男，福建福鼎人，寧德技師學(xué)院，科員，二級(jí)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，大學(xué)本科。