爪極電機電磁噪聲特征研究與分析

邢正坤,胡 龍

(1.河北工業大學,天津 300130;2.吉林大學,長春 132000)

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爪極電機電磁噪聲特征研究與分析

邢正坤1,胡 龍2

(1.河北工業大學,天津 300130;2.吉林大學,長春 132000)

電機噪聲與振動是衡量電機性能的重要指標，能夠影響電機的使用壽命，因此研究電磁噪聲特征具有較大意義。首先，利用Maxwell 3D建立有限元分析模型，計算徑向電磁力。將時域數據導入MATLAB進行頻譜分析，獲取電磁力波相關頻域特性數據。然后，應用有限元法分析定子模態以及諧響應分析，得出電機的振動位移響應。最后將振動位移數據導入LMS Virtual.Lab聲學邊界元模塊中計算電磁噪聲頻率響應。本文方法可用于電機設計階段對電機的電磁噪聲特性進行估算,進而優化電機的設計。

電磁噪聲;徑向電磁力;模態分析;諧響應分析;聲學邊界元

0 引 言

分析電機產生的振動和噪聲是衡量一臺電機工藝的主要手段[1]。電機振動不僅影響電機的使用壽命，而且是電機產生電磁噪聲的主要因素。同時，由一系列不同頻率和強度的聲波無規律疊加組合成的噪聲能夠直接影響人的身體健康，當人處于高噪聲環境或不間歇地處于噪聲中會導致人的生理功能損壞，例如聽力衰減[2]。

相比國外，國內對電機的振動噪聲分析相對較少。文獻[3]提出一種使用有限元法分析感應電機電磁力波的基本方法。文獻[4]采用了有限元法計算了異步電機的徑向電磁力,并探究了電磁力與電機固有頻率的關系以及電機的振動特性。文獻[5]應用有限元法研究了開關磁阻電機電磁力波的時域特性和頻域特性。文獻[6]對車用永磁電機的電磁噪聲進行了研究，并對電機定子鐵心的固有頻率和振動特性進行了分析和研究，避免電機發生電磁共振。文獻[7]使用聲學邊界元法計算分析了電機的聲場并進行試驗分析。文獻[8]研究了鼠籠電機的聲學邊界元模型并進行聲輻射計算，而且通過對比實驗數據驗證了其準確性。文獻[9]對爪極發電機的電磁及振動特性和噪聲進行了分析研究。文獻[10]使用有限元法對永磁電動機的電磁振動特性和噪聲進行了分析研究。

本文將一臺爪極永磁發電機作為研究對象，主要研究了電機電磁力波的計算、定子結構模態分析與振動噪聲計算。本論文的工作內容如下：①建立電機的電磁場有限元分析模型。利用Maxwell對電機進行氣隙電磁場仿真與計算，得出電磁力波空間-時域數據；②利用MATLAB處理Maxwell仿真得出來的電磁場數據，得出電磁力波頻譜、相位圖。將電機定子3D模型導入Workbench模態分析模塊進行固有模態分析；③利用Workbench諧響應分析模塊，將電磁力加載到定子鐵心各個齒面，得出電機振動位移響應;④利用LMS Virtual.Lab聲學邊界元分析模塊，將有限元模型轉化為聲學模型，然后計算電機電磁噪聲。

1 爪極發電機的電磁力波計算

本文分析爪極電機的相關物理結構、電磁參數如表1所示。圖1為爪極電機三維模型。

表1 爪極發電機基本參數

圖1 爪極電機三維模型

爪極電機氣隙磁場沿圓周具有徑向對稱性，為了降低模型計算量、縮短仿真運行時間，故而將模型簡化為一對極進行計算。圖2為模型簡化后的定子網格劃分。

圖2 定子網格劃分

為了保證模型的完整性，除了需要建立電機3D模型，還需要對電機設計外部連接電路。本文對外電路作了改進，采用Maxwell Circuit Editor設計了帶有等效CDI點火線圈的外電路，具體電路如圖3、圖4所示。

其中照明電路部分參數，由運行RMxprt得到；點火線圈部分器件參數如圖4所示。如此將外電路

圖3 外電路照明電路部分

圖4 外電路點火線圈部分

與三維模型相聯系便得到完整的有限元模型，便可進行一步計算。

在電機定子與氣隙兩種材料接觸面上產生的不均勻分布力,基于麥克斯韋應力張量方程，作用在爪極電機定子齒內表面上單位面積徑向電磁力為:

(1)

式中：μ0為真空磁導率;Fn為徑向電磁力;Bt為切向磁密;Br為徑向磁密。

經過后處理得到氣隙徑向磁通磁密空間分布如圖5所示，徑向電磁力氣隙的空間分布如圖6所示。

圖5 徑向氣隙磁通密度空間分布圖

圖6 徑向氣隙電磁力(單位面積)空間分布圖

電磁力又是時間分布的，徑向電磁力氣隙的時間分布如圖7所示。

圖7 徑向氣隙電磁力(單位面積)時間分布圖

徑向電磁力主要作用于電機定子齒面而導致定子振動從而產生電磁振動噪聲，本文在每個定子齒面上下部分分別繪制一個正方形，并求出每個齒面正方形單位面積上受到的徑向電磁力，并將其等效于每個定子齒面上下部分受到的平均力，圖8為定子齒面離散圖[9]。

圖8 定子齒面離散圖

每個齒面受到的平均電磁力為Fxy,Fx2y，其中x表示X軸正方向第幾個定子齒，y=1表示定子上部分、y=2表示定子下部分，x2表示X軸負方向第幾個定子齒。在場計算器中輸入每個定子齒面的上下部分的平均徑向電磁力公式：

(2)

利用該公式對每個齒面上的正方形進行求解，則可得到Fxy,Fx2y。圖9為F11的平均力波變化曲線，經計算幅值較大的電磁力波為低階波，這里我們只取第二階做分析，其他類似。F11二階電磁力(單位面積)的幅值為102Pa相位為242.4°，其余平均電磁力在此不加敘述。

圖9 F11電磁力(單位面積)

選擇不同極槽配合作為研究對象，對比對電磁力波的影響，在原有2對極、24定子槽的基礎上建立了2對極、12定子槽的爪極電機。徑向電磁力如圖10所示，對比圖 6可知在減少定子槽數后徑向電磁力峰值更大、同時具有脈沖性質，這意味著改變后的電機定子齒某一空間會承受巨大的壓力，使得對電機結構的要求更高。

圖10 徑向電磁力(單位面積)空間分布圖

2 爪極發電機定子固有頻率模態分析

模態分析是一種研究系統振動特性的近代方法，結構系統的每一模態都具有其固定的振動模型、振動頻率與阻尼比。一般物理結構的模態參數可以由數值計算或者實體試驗來獲得，如果采用有限元法獲得模態參數則為數值模態分析，試驗模態分析則是用一定的分析方法把實驗獲得的輸入、輸出數據創建聯系。

通用的運動方程如式(3)[11]。

(3)

(4)

(5)

2.1 定子的模態分析

本文采用有限元法對模型進行了模態分析，其模型如圖11所示。

圖11 爪極電機定子鐵心

因定子鐵心是由硅鋼片疊壓而成，不能直接用硅鋼片密度設置定子鐵心密度，還要考慮疊片對材料密度的影響，因此定子鐵心密度應設為疊壓系數與硅鋼片材料密度的乘積。定子鐵心材料屬性取值如表2所示。

表2 定子鐵心材料屬性表

圖12為定子鐵心前6階振型云圖，表3為前6階振型對應的頻率。

表3 定子鐵心振型頻率表

(a)0階振型(b)2階振型(c)3階振型(d)4階振型(e)5階振型(f)6階振型

圖12 定子鐵心前6階振型云圖

3 爪極發電機振動分析與噪聲計算

3.1 電磁振動分析

本文應用模態疊加法求解定子的振動響應。因為在Maxwell中處理得到的是定子齒面上單位面積上受到的電磁力波，所以施加負荷為壓強。利用將MATLAB中對各個齒面壓強的頻譜分析得到的幅值、相位數據加載到定子齒面，便完成了負荷施加，所有定子齒面施加負荷后的效果如圖13所示。

圖13 諧響應負荷加載

對模型分析后，求解位移、加速度諧響應結果。圖14、圖15分別為電機諧響應位移隨頻率變化圖和加速度變化圖。從圖14可以看出，在2 500Hz到2 750Hz之間位移幅值達到峰值，從而可以預測此階段電磁力波頻率與定子結構固有頻率發生了共振，這是因為與模態分析定子的固有頻率2600Hz處具有振動振型相近。在2 600Hz左右位移數據最大，從而可以預測2 600Hz時的各個齒面上的電磁力波普遍幅值較大，此時電磁噪聲最大。

圖14 諧響應位移變化曲線

圖15 諧響應加速度變化曲線

3.2 電磁噪聲分析

本節利用LMSVirtual.Lab仿真電機的電磁噪聲特性，首先把Workbench諧響應分析有限元網格在FiniteElementModeler中轉換為LMSVirtual.Lab中電機定子結構模型，其次將結構有限元網格提取出電機的聲學表面網格，最后將提取的表面網格進一步粗化得到最后的聲學邊界元網格[9]。圖16為粗化前后的電機網格模型。

因此，面對紛繁復雜、喧嘩混亂的現狀，人們應增強“尋獲安靜”的自覺。即使外部環境一時難于安靜，也要努力營造寧靜的小環境，像大學就應筑上一個“靜”的圍城，而決不可火上加油，增添雜亂。就個人來說，要不為世俗的欲望所惑，努力保持內心的明凈與寧靜。有名家說：“缺少了寂寞就不可能有真正的幸福。”這里的所謂“寂寞”，就是能保持自己內心的寧靜，不為各種浮華的喧鬧所迷惑與裹挾。

圖16 粗化前后的電機網格

將諧響應分析得到的振動位移數據作為聲學分析的邊界條件，進行聲場響應的計算，由于電機的聲學邊界元網格和結構網格的單位尺寸、單元密度與節點坐標都不一致，故而需要對導入的振動位移數據進行數據轉移，建立起振動數據與有限元網格的對應關系。之后，需要添加一個聲學網格，并且由于實際上在半消音室中測量電機噪聲時在地面上有光滑的地板反射聲音，故而在仿真時需要在電機下方添加一個全放射平面，如圖17所示。再對一些基本的聲學分析項進行定義便可以計算電機聲場響應(設置邊界條件等)，并且通過在場點網格上設置一系列場點。通過場點計算后便可以觀察這些場點的聲壓隨頻率的變化曲線圖。

圖17 發電機電磁噪聲仿真模型

通過仿真計算，圖18為場點網格上4個場點的變化曲線。從圖18可以看出發電機產生的電磁噪聲聲壓級在2 600Hz共振頻率附近達到峰值，而一旦越過此峰值聲壓級成單調衰減，也就是說電機產生的電磁噪聲為低頻聲波，且減小電磁噪聲可從以下部分入手：

(1)由于各場點的聲壓級不同，因此可以將易受聲波干擾的物體定向安裝在特定的位置，使得其受到的聲壓輻射最小。

(2)在發電機升速的過程中能產生使電機發生共振的電磁力的轉速時,以最短的時間越過此轉速。

(3)添加適當的阻尼器件，使得聲壓級快速衰減。

圖18 場點聲壓級變化曲線

改變定子槽數的電機采用同樣的處理后得到同頻率段范圍內的電磁噪聲聲強變化如圖19所示。

圖19 不同槽數場點聲壓級變化曲線

從圖19可得改變極槽配對后電機電磁噪聲聲壓級明顯降低，從而有效降低低頻范圍內的電機噪聲。此外，由于改變極槽配對后定子結構的固有頻率顯著提升，而高階電磁力波的頻率增長速度又明顯慢于固有頻率的增長，因此可以說適當的改變極槽配對能夠有效地改變發電機產生的電磁噪聲。

4 結 語

(1)軟件建立了完整的三維電磁場分析模型，得到爪極發電機的氣隙磁場及徑向電磁力波，求得定子齒面上下部分的平均電磁力的幅值、相位和階次。

(2)對定子固有模態進行了計算。基于模態疊加將徑向電磁力加載到相應的定子齒面上做諧響應分析，研究了發電機的振動變形情況。2 600 Hz左右位移數據最大，可以預測2 600 Hz時的各個齒面上的電磁力波普遍幅值較大，此時電磁噪聲最大。2 600 Hz和定子固有頻率相近時噪聲最大。

(3)對電機電磁噪聲原理理解基礎上，通過對外電路增加點火線圈改變電磁力特性，以及適當地改變極槽配對，能夠有效地改變發電機產生的電磁噪聲。

(4)對電磁噪聲進行了聲場輻射分析。可以在電機設計階段預估出電磁噪聲性能,進而優化電機設計。

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Study and Analysis of Electromagnetic Noise Characteristics of Claw Pole Motor

XINGZheng-kun1,HULong2

(1.Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Jilin University,Changchun 132000,China)

Motor noise and vibration as the important indicators of a motor performance, can affect the using time limit of the motor, so making the study characteristics of the electromagnetic noise is quite significant. First of all,using the Maxwell 3D finite element analysis model was established, and calculating the radial electromagnetic force, the spectrum analysis transforms the data into MATLAB to obtain the electromagnetic wave frequency domain characteristics of relevant data.Then, the finite element method was used to analyze the stator modal and harmonic response analysis, the vibration displacement response of the motor were obtained. Finally the vibration displacement data import LMS Virtual. Lab acoustic boundary element in the module calculating electromagnetic noise frequency response.The method can be used in the design of motor phase estimation of electromagnetic noise characteristics of the motor, and then optimize the design of the motor.

electromagnetic noise; radial electromagnetic force; modal analysis; harmonic response analysis; acoustics boundary element

2015-06-23

河北省高等學校科學研究技術研究重點項目(ZD2016045)

TM35

A

1004-7018(2016)07-0017-04

邢正坤( 1988-) ，男，碩士研究生，研究方向為電機振動噪聲、電力拖動。