永磁同步電機電磁振動數值預測與分析

谷泓澤

摘 要 永磁同步電機在諸多領域都有廣泛應用，其中分數槽集中繞組的永磁同步電機，憑借著其高密度、高效率的特點受到了廣泛關注。但由于電磁力的激發，噪聲以及電機振動問題更加突出，為了追求更高品質的永磁同步電機，噪聲以及電機振動的大小成為了評價電機性能的重要標準，由此預測與分析永磁同步電機的數值是改善電磁同步電機性能的重要措施，對電磁振動數值進行預測也表現出不容忽視的實踐意義。本文就永磁同步電機電磁振動數值預測與分析這一課題進行了探討。

關鍵詞 永磁同步電機；電磁振動數值；電磁力；定子等效

中圖分類號 TM3 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0159-02

永磁同步電機在汽車、船舶、家電等多個領域都有應有，其中的分數槽集中繞組的永磁同步電機，依靠著其高密度以及高效率得到了廣泛的關注分數槽集中繞組永磁同步電機因為其齒槽轉矩更低，容錯性能更佳，弱磁能力更高，在實際中的應用也更受青睞。分數槽集中繞組的電機與整數槽電機相比，其空間階數更低，可由于電磁力的激發，噪聲以及電機振動的問題也更加凸顯。隨著電機振動問題的突出，對電磁振動預測也成為了研究的熱點。目前，電磁振動的計算主要是利用數值計算方法以及解析法實現的。通過利用解析法，在二維平面內進行振動模型的建立，但是該種方法盡管能夠在短時間內得到計算結果，但是會因為忽略了端蓋以及繞組對結構的干擾，而對計算的精度產生影響。現階段，隨著永磁同步電機的推廣，電磁振動測量問題亟待解決。

1 計算流程——電磁振動

永磁同步電機在計算電磁振動時，還需要計算定子齒表面的電磁力。這是由于其電磁振動是指作用與定子齒表面的電磁力所引發的振動。針對六級九槽分數槽的集中繞組電機為例進行分析，其定子結構如圖1所示。計算電磁振動時，需要對電磁力的有限元模型進行構建。對于六級九槽電機而言，其在空間上有3個周期，同時由于端部效應不突出，且繞組較短，電磁有限元模型在構建結束后只會是1/3二維模型。依據電機的軸向周期性，且假設電磁力能夠保證沿軸分不一致的情況下，可以把1/3的二維電磁模型擴展到三維模型。

目前的調速永磁同步電機目前，多以變頻器的方式進行供電，但在電流諧波的影響下，電磁振動也會產生變化，對進行測定三相電流信號可以利用電流傳感器進行，從而構造電流諧波作用下的電磁力有限元模型。之后建立定子結構的有限元模型，利用單獨定子鐵心以及整個定子構成的模態試驗，對繞組以及鐵心硅膠片模型進行等效驗證。利用對齒面上的結構網格節點以及電磁網格節點的控制，達到一致性分布，把電磁力轉移至結構網絡上，能夠將電磁力差值以及等效作用引發的加載誤差有效避免，在進行定子表面振動的測定時，采用模態疊加的方法，并在此基礎上加以驗證，具體流程如圖2所示。

2 仿真計算及分析——電磁力

構建1/3電磁的有限元模型時，需要依照六級九槽電機的空間周期性完成，在進行模型計算的過程中，也能得出空載狀態下電機的相反電動勢波形。在3 000r/min的運行狀態下，實測能夠得到實際狀態下的空載相反電動勢波形。理論狀態與實際情況對比如圖3所示。圖3不難看出，這兩種波形直觀上能夠達到基本吻合的狀態，也說明了利用此電磁模型計算得到的電磁力是相對準確的。試驗采用的轉速是3 600r/min，且負載是2.7N·m，整個試驗是在明確了電流諧波會對電磁力以及電磁振動產生影響的狀態下進行的。模型中電流信號以點序列的方式進行加載，由此可計算電流諧波影響下，位于定子齒表面的電磁力分布，如圖4所示。

通過對定子齒表面某點徑向力波頻譜的觀察，可以發現電磁力頻譜主要分布在兩個區域，一部分區域的電磁力主要來源于徑向力波（由電流基波產生），另外一部分電磁力則來源于電流諧波所產生的電磁力（滿足fA=（6k±1）f特征）。電流諧波產生的電磁力，必須具有fA±f=（6k±1）f±f計算公式下的頻率特征。實際上，頻率特征和電流基頻在計算上存在著偶數倍關系，這一點與理想正弦波供電下的電磁力頻率特征相一致。由此可見，存在的電流諧波并會激起額外的電磁力。另一部分的電磁力主要集中于開關頻率附近，電磁頻率成分滿足a為整的fc+af的電磁力，以及與之對應的諧波頻率（fc+（a±1）fc）。

3 仿真計算與試驗驗證

在明確定子結構模型且電磁力分布的背景下，利用模態疊加法能實現對定子表面的振動響應進行計算的目的，如果想要對仿真的計算結果進行驗證試驗，可采用對比分析的方法，利用電機振動試驗進行對比驗證。分析結果顯示，在3 600r/miin且負載扭矩是2.7N·m時，電機的徑向振動和實測結果是相吻合的，并且可以真實反映出電磁振動的總體分布情況，以及其中的主要頻率成分，但此種方法還是存在缺點，其高頻段振動吻合度不高，難以完全地吻合。這是由高頻振動難以準確測量，和結構模型驗證難度相對較大造成的。

4 結論

總之，通過電磁振動中的半解析計算法，利用有限元方法對電磁力進行計算，最終借助模態疊加的方法實現對電磁振動的計算。但是，該方法不能解決復雜定子結構的電機計算，更多的學者傾向于愛用數值計算方法。但目前，關于預測電機數值仍存在兩個難題，分別為空間旋轉時的電磁力波（非均勻分布）會加載到有限元的結構模型上；在定子建模中硅鋼片與繞組的疊壓效應等效。通過本文的探究，希望能夠為永磁同步電機電磁振動進行準確的預測提供思路。

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