基于永磁電機的振動檢測分析研究

高志遠，楊 斌，黃永程，王凌浩

（廣東理工學院 工業自動化系，廣東 肇慶526100）

0 前言

隨著我國的經濟科技的迅速發展，使得工業、冶金等行業增加了對永磁電機的需要，使得永磁電機在結構和功能不斷的改進和優化[1]。由于永磁電機具有結構簡單、運行安全可靠、體積小、重量輕、效率高等優點，逐步被永磁電機淘汰。現如今永磁電機以多變形狀和靈活的尺寸為優點，使得其在航空航天、軍事國防、工業制造生產等領域得到廣泛的應用[2]。

由于現代工業的需求，對永磁電機的設計逐漸向性價比高、體積小等方向發展，這些都會增加永磁電機的電、磁負荷；而如果要想使永磁電機的體積小、質量輕，就要采用較好的材料，使用永磁電機的磁通密度相對較高材料，但這就會導致磁飽和和冷卻等問題，這些問題都會導致永磁電機出現嚴重的振動[3]。本文基于永磁電機的振動檢測分析，對其進行振動的仿真分析，從而優化永磁電機的整體性能。

1 永磁電動機振動產生的機理

永磁電動機的電磁振動主要是由定子齒內表面上的徑向電磁力的原因產生的[5]。在一定理想情況下，永磁電機的定子被簡化成為帶兩個端蓋的圓柱型外殼，m階徑向電磁力產生的振動位移為：

其中，M為圓柱殼的質量（kg）；ωm為m階固有角頻率（rad/s）；ωr為 r次電磁力角頻率（rad/s）；ζr為模態阻尼比；Fm為徑向電磁力（N）。

據相關數據表明，當永磁電機的徑向電磁力的頻率和固有頻率相等時，兩個此時振動的振幅達到最大值，也會造成較大的異響。因此，在對電機的結構進行設計時，要使兩個之間的頻率相差越大越好，減小振動。

本文的研究以10極12槽永磁同步電動機為研究對象，建立二維永磁電機的模型，如圖1所示，其永磁電機的主要參數如下：額定功率750 W，額定電壓220 V、額定轉速3 000 r/min、額定轉矩25 N·m、定子外徑100 mm、內徑60 mm.

圖1 二維電機模型

電磁振動是由永磁同步電動機氣隙中基波磁場和諧波磁場相互作用產生的電磁力所造成的，即電磁噪聲主要來源于電磁振動，因此永磁同步電機的振動分析是非常有必要的。該電機的電磁轉矩如圖2所示。

圖2 電磁轉矩

圖2 中（a）是空載時永磁同步電動機的電磁轉矩，其中仿真最大電磁力矩是0.003 3 N·m；圖（b）是負載時永磁電機的電磁轉矩，電壓幅值為110 V.

2 永磁電動機振動位移的仿真分析

通過對永磁電動機的外殼進行瞬態動力學分析，得到該電機外殼的振動幅值，以此判斷本文的設計是否符合要求。在永磁電動機隨時間和位置變化的動態結構振動響應分析中，由于永磁同步電機定子的磁密值和電磁力不同，將定子的內表面看作若干個圓弧，并將每一段圓弧的中心看作一個質點，從而求得定子內表面的任何一個質點在任何時刻的電磁力，其模型如圖3所示。

圖3 永磁電機的有限元模型

通過有限元軟件UG建立永磁電動機的三維模型，其中包括對定子鐵心、繞組、機殼、端蓋及定子系統進行了建模，再將模型導入至有限元ANSYS軟件對永磁電機的振動進行了模態分析，模態分析之前需要施加約束，電機定子內表面電磁力時間、位置變化，將其電磁力載荷施加在電動機定子齒內表面上，并且根據樣機實際的安裝情況，在有限元軟件里，對電動機外殼的孔處添加零位移約束，最后通過模態分析，得到永磁電機在水平和重直方向上的位移，其圖形如圖4所示。

圖4 電機任意時刻的位移圖

從圖4中可以看出，該電機外殼在x方向的位移較小，甚至可以忽略不計。在y方向上，振動的位移偏量較大，其最大振動位移達到2.28×10-6m.

3 總結

本文以10極12槽永磁同步電動機為研究對象，通過利用有限元方法對該電機在空載和額定負載下進行了電磁場的仿真分析，并對該電機的機殼在x、y兩個方向上的位移偏量進行仿真，其最大的偏離量為2.28×10-6m.