永磁同步電機噪聲分析及優化

張洪濤

(大慶煉化公司,黑龍江大慶 163711)

0 引言

永磁同步電機采用永磁體產生磁場,使轉子旋轉,與傳統電機相比,重量可減少20%以上,具有高效率、節能特點,在電動汽車、壓縮機等工業領域廣泛使用,隨著對產品品質要求提高,電機的噪聲問題越來越引起市場和學者門的關注,同時,振動噪聲對電機長期可靠運行造成影響,過高噪聲也是能量的浪費,因此,需要建立計算模型,分析電機結構與噪聲關系,研究減低噪聲方法。

1 噪聲研究現狀

永磁同步電機噪聲主要有機械振動噪聲、空氣摩擦噪聲和電磁振動噪聲。目前,國內外降低噪聲方法主要有三方面:第一是從電機零部件設計、裝配工藝方面改進。第二是從電機控制策略方面,減少諧波電流,抑制轉矩脈動。第三是從電機氣隙、永磁體等電機結構方面,優化參數,從根本上降低噪聲[1]。

相比較三種方法,第三種可以從設計源頭減低噪聲。有學者研究發現優化轉子的結構對電機振動的噪聲以及電磁性能產生的影響,對電機振動噪聲和電機電磁性能等進行仿真模擬計算分析,結果顯示,當電磁力諧波在較大的頻率點時相應的振動也產生了比較大的加速度,致使電磁產生了較大的噪聲。而轉子結構進行優化以后則改變了其原有的電磁路的方向,使徑向的電磁力減小,進而使電機電磁振動所產生的噪聲變小,使轉矩脈動降低的同時保證輸出轉矩不變[2]。因此,本文以4極永磁同步電機為研究對象,研究噪聲產生主要原因,并優化電機結構。

2 電磁仿真分析

電機為4極6槽結構,額定電流2.9A,額定轉矩1.94Nm,采用內置式轉子結構,由于電機結構對稱性,只需畫出1/4電機模型。

氣隙磁阻、永磁體磁阻計算如下,見式(1)、式(2),其中,ge、gA分別為氣隙長度、氣隙磁通面積,hum、Am分別為永磁體厚度、永磁體磁通面積。

(1)

(2)

采用Maxwell軟件進行仿真,結果如圖1所示,磁路有三部分,第一部分是永磁體流經氣隙最后進入定子沖片,第二部分是轉子軛部繞過隔磁橋進入永磁體內,第三部分是永磁體端部磁路。從圖中可以看出,電機磁場沿著最小磁阻路徑行走。

圖1 磁力線分布

由于氣隙電磁力作用,導致定子發生振動變形,在不計變頻裝置產生噪聲不利影響,電機正常工作狀態下,氣隙電磁力是電磁振動主要因素。將氣隙分解為徑向和切向磁密,計算結果如圖2、圖3所示。

圖2 徑向磁密

圖3 切向磁密

從圖中可以得出,徑向氣隙磁密遠大于切向,兩種磁密都成周期性變化,且周期相同。因此,氣隙電磁力只需考慮徑向磁密,對徑向氣隙磁密做傅里葉變化,得出諧波分析圖,可以發現,奇數倍諧波較大,偶數倍諧波較小,且雜波多。利用Matlab軟件計算徑向電磁力結果,發現12次之后諧波較小,可以不計。因此噪聲主要是低階諧波引起的。

2.1 定子槽口寬度分析

磁路磁力線通過氣隙達到定子齒部,磁場使定子發生振動并產生變形,致使齒槽轉矩產生轉矩脈動。定子槽口如圖4所示。

圖4 槽口

槽寬度縮小因子的計算公式見式(3)。

(3)

槽口間的寬度變大使氣隙磁阻也相應增大,以至氣隙系數隨之增加,而定子的繞組磁場和氣隙系數成反比值。在永磁電機的結構中,電機的電磁噪音主要受電機的定子槽口的寬度影響,定子槽口的寬度調整起來相對簡單,以下是對永磁電機槽口的寬度的研究。

對槽口的寬度進行模擬電機建立;寬度分別為 3mm、4mm、5mm、6mm ,并計算出電機氣隙徑向磁密,不同的槽口寬度伴隨其位置的改變與徑向氣隙磁密之間的關系圖,如圖5所示。

圖5 槽口寬度與氣隙磁密關系

為了驗證氣隙磁密會被定子槽口的寬度變化影響從而減弱其效果,將解出的氣隙磁密通過傅里葉計算算出諧波。如圖6所示,氣隙磁密的諧波幅值隨著定子槽口寬度的增大而降低,相應的諧波幅值的總值增大。只有6 次的諧波幅值基本沒有變化,4次、8次、10次、14 次諧波幅值則根據定子槽口的寬度加大而發生諧波幅值的增加。

圖6 槽口寬度與氣隙磁密諧波幅值關系

其原理為氣隙磁場的磁阻受定子槽口的寬度影響從而改變,使氣隙磁密發生改變。為了減弱諧波幅值、讓齒槽轉矩減小,可以相應縮小定子槽口尺寸,這樣同時也能增加輸出轉矩,提高永磁電機的性能。

2.2 氣隙長度分析

電機內部結構中,對氣隙影響較大因素不僅有氣隙尺寸因素,而且還有磁導率相差較大原因。硅鋼片和空氣的磁導率差別直接影響著氣隙磁阻,且磁阻會導致磁通密度和磁力線分布大幅度變化。除以上因素外,永磁同步電機的永磁體端部在漏磁,致使漏磁系數隨之產生變動,總之,氣隙影響因素徑多,且復雜。

為比較不同氣隙長度氣隙磁密變化,對電機做對比模擬仿真,氣隙長度從0.6mm到0.75mm,間隔0.05mm建立模型,仿真結果如圖7所示,從圖中可以看出,氣隙磁密呈現周期變化,0.65mm變動幅值范圍最大,0.8mm變動幅值范圍最小。圖8為不同氣隙長度下磁密諧波幅值大小,可以看出,氣隙結構長度逐漸變大,基波便會逐漸變小;10次諧波情況下,氣隙結構長度變化時,諧波幅值基本不變,其余諧波情況下,諧波幅值減少比較明顯。

圖7 氣隙磁密變化

圖8 氣隙磁密諧波幅值

通過以上分析,不難發現,氣隙長度微小變化也可以對電機電磁性能產生較大影響。因此,應該綜合考慮工藝加工難度、電機電磁性能等,設計合理的氣隙長度。

3 結構優化

3.1 氣隙方面優化

轉子與定子表面間氣隙結構有兩種,一種是均勻的,一種是非均勻的。均勻的氣隙結構加工簡單,但徑向電磁力變化幅值較大,可能導致永磁同步電機轉矩脈動過大,不均勻的氣隙結構可以很好解決這一問題,但過低的氣隙會導致電機轉子轉動時與定子發生刮擦,較大的氣隙長度會影響電機轉矩輸出,導致電機功率下降。因此需要對電機氣隙進行計算,最大氣隙長度gemax公式見式(4)、氣隙函數見式(5)。

(4)

ge(θ)=

(5)

通過以上公式,可得出最大氣隙長度值組,將向氣隙磁密進行傅里葉分解,分析各階次諧波下,氣隙次冪諧波幅值變化規律,見圖9;輸出轉矩仿真結果如圖10所示。從圖9、圖10可以看出,1.5mm氣隙值時,氣隙次冪諧波幅值在各個諧波次數下最低,而且輸出轉矩在1.5mm出現拐點,0.7mm至1.5mm之間輸出轉矩基本不變,大約1.5mm輸出轉矩急劇減小。因此,在考慮噪聲和電機性能兩方面情況下,優先選擇1.5mm電機氣隙。

圖9 氣隙次冪諧波變化

圖10 輸出轉矩變化

3.2 永磁體方面優化

永磁體的尺寸包括三個方面:磁化方向的長度、寬度和軸向長度,模型的設計中,磁體工藝、工作性能等因素都會影響永磁體的尺寸,保持永磁體的長度、面積不變,改變永磁體的尺寸結構,對原始、雙弧型、外弧型、內弧型四種磁體結構研究分析。對氣隙磁密曲線的正弦性進行優化,以此來減小諧波幅值,從而達到降低電磁振動的結果。應用有限元法,對原始、雙弧型、外弧型、內弧型四種磁體結構進行建立模型,并對其進行比較分析,永磁體形態的變化,使氣隙磁場也發生相應改變,圖11為磁密曲線對比圖,通過曲線對比的發現,其中在采用雙弧型、外弧型、內弧型三種結構時,氣隙徑向磁密曲線值會變小,正弦性改善明顯。其中三種弧形中的雙弧型結構的效果更好,更優化。

圖11 磁密曲線對比圖

4 結語

本文以4極永磁同步電機為例,對噪聲研究現狀進行了調查,通過電磁仿真分析,得出噪聲產生主要原因是低階諧波下的氣隙電磁力,對比分析定子槽口寬度、氣隙長度對氣隙和輸出轉矩的影響規律,最終從氣隙和永磁體參數兩個方面進行優化,獲得在保證電機性能前提下,抑制噪聲方法。