永磁無刷直流電機噪聲分析

王建淞

(大慶宏偉慶化石油化工有限公司,黑龍江大慶 163000)

0 引言

隨著永磁材料、現代電機理論、電子電力技術的快速發展,1970年德國研發成功了永磁無刷電機,不久之后,各國開始研究永磁直流無刷電機,比如美國GM,日本Fanuc,德國Simens等,因電機具有調速范圍寬,機械性能好,結構簡單等優點,應用在汽車領域,工業自動化設備領域,電動自行車領域以及高精密醫療器械領域等[1]。永磁直流無刷電機作為關鍵部件,已成為研究熱點。但與發達國家還存在一定差距,噪聲是電機一個重要指標,1996你那我國頒布關于環境電氣設備噪聲污染防治法,隨著電機應用領域的快速擴展,該指標的重要性也越來越凸顯。同時電機振動噪聲也會影響設備的使用壽命,因此,本文開展對永磁無刷直流電機振動噪聲分析,研究抑制噪聲方法。

1 國內外研究現狀

英國Sheffield大學的教授諸自強是最早研究永磁電機、與其控制系統和振動產生噪聲的特性之間的關系的其中一位學者。1993年期間,他應用解析計算方法算出永磁直流電機中的無刷電機的瞬間狀態磁場的分布,并以此對開路及電樞反應場、定子的齒槽反應以及負載下磁場的反應等四種情況進行推導[2]。

法國的學者在1995年間對有電流和無電流的諧波振動和轉矩的脈動的實驗進行計算中發現三相的不對稱,電流對切向的脈動存在較大影響,對徑向的振動存在較小的影響。2000年,芬蘭的學者對同步電機磁場產生的振動與噪聲的力源進行研究,同步發電機內電磁場產生的引起振動與噪聲的來源,采用有限元與時步的方法對電機中的電磁場進行解析計算,麥克斯韋張量的計算方法應用在定子的鐵芯內的徑向分布,解析徑向的頻譜,與所測電機的噪聲進行互相比較。

2006年,沈陽工大設立了增加了時間的矩陣,并加入計算機電耦合,針對電機轉子和定子的動態特性耦聯作為整體,對其噪聲與振動的性質進行針對性的研究。傳統理論中電機力波的頻率即為其固有的頻率,發生共振噪聲。2001年,意大利通過二維的電磁場進行系統分析,使定子的永磁體兩端部成菱形形態,使電機轉矩的脈動減少,噪聲也對應減少。2002年,日本松下對表面式的永磁電機進行增加其氣隙的長度,使其氣隙中的徑向應力更平滑,減少電機的噪聲;2009年,哈工大的研究證明用噪聲測試來分析電機的脈動相關問題是合理且有效的。通過噪聲與電機的頻率關系, 能夠精準地確定噪聲和振動的來源。

2 解析分析

一般情況,兩種永磁直流電機(即有刷直流和無刷直流)相比,因為規避了電刷與換向器之間的磨擦,所以噪聲不認為是主要存在的問題。但經過實踐驗證,永磁無刷電機在一些特殊的狀態下會產生比較大的噪聲,這是因為無刷電機用交流電經過整流進行供電,紋波會變大;用里外圓弧形一樣的曲率制作永磁體中的瓦形片,使其磁場分布為梯形,供電的電流采用方波供電,正弦波與電勢電流存在較大差異,從而產生波動造成切向和徑向的振動,導致產生噪聲。

電磁所產生的噪聲主要源于電磁振動,而振動則是由電機的氣隙磁場作用在電機的鐵心所產生的電磁力所引發的。定子的繞組磁勢和永磁磁勢以及氣隙磁導決定了氣隙磁場。定子的鐵心上所產生的磁力分為兩組分量為切向和徑向。噪聲主要來源是由于徑向分量可使鐵心發生振動并變形;噪聲次要來源是由于切向分量與電磁轉矩形成相反的作用力,使芯齒對其根部變彎,從而產生局部的振動以及變形。

永磁電機中的無刷電機,主磁通沿著徑向進入電機氣隙,對定轉子產生徑向力,從而使電磁發生振動進而產生噪聲。在電機不對稱或是在單相電機這種場合,產生切向的振動會變大,致使與電機相連的部件產生共振,進而產生噪聲。因此首先要對氣隙中的磁通密度分布進行分析,其密度分布用磁勢乘磁導的方法進行計算。

氣隙磁勢f(θ,t)與磁導λ(θ,t)的乘積為

b(θ,t)=f(θ,t)λ(θ,t)

(1)

經過傅里葉級數進行分解,μ次主極磁場的諧波磁密幅值Bμ

(2)

得出空載的氣隙磁場公式

(3)

電機徑向力波公式

(4)

3 有限元分析

電機工作時,由于氣隙中徑向電磁力作用,使得定子鐵心和機座產生周期性振動,產生脈動噪聲。一般低次諧波的容易產生徑向變形,故研究五次以下的徑向力波對電磁噪聲影響。

3.1 極槽配合

針對4極結構,6槽、12槽、24槽、36槽四臺電機建立二維結構圖,通過有限元計算電機磁密分布,見圖1、圖2、圖3、圖4。

圖2 12槽電機云圖

圖3 24槽電機云圖

圖4 36槽電機云圖

然后計算磁密諧波分布,見表1,對比結果可以得出,6槽電機因為為分數槽結構,噪聲要大于12槽、24槽、36槽的整數槽振動噪聲。

表1 電磁噪聲值

3.2 極弧因素

極弧因數是電機設計中的一個重要的參數,正確的應用電機極弧因數可以有效的削減甚至清除氣隙磁密諧波。對4極6槽的無刷電機極弧因數影響進行噪聲分析,在電機鐵心長度不變但因數變化的情況下,對定子繞組的線圈數進行調整來維持反電動勢大致不變,極弧因數對噪聲產生的影響如表2所示。

表2 不同極弧系數下噪聲值

表3是保持定子繞組數不變,調動氣隙的長度使電機在不同因數狀態下,反電動勢保持不變,電磁產生的噪聲變化如表3所示。從表2中可以看出,在永磁體的厚度與氣隙的長度都保持不變的情況下,電機的噪聲明顯增加,從表3中可以看出,在磁體厚度保持不變的情況下,其因數增大了,氣隙長度也同時增大,減弱了電機氣隙諧波,同時降低了電磁的噪聲。

表3 不同極弧系數和氣隙長度下噪聲值

3.3 永磁體

從表4中可以看出,磁體磁化方向上的長度與氣隙長度等比例變動時, 隨磁化方向上的長度的變大,氣隙的磁密值增加了,但電機氣隙的磁密波的畸變概率也相應降低了,電磁的噪聲也明顯降低,由此看出電機諧波的磁場被減弱了。所以,磁體磁化方向上的長度與氣隙長度等比例變動時,磁化方向上長度的變化對電磁噪聲產生的影響要弱于氣隙長度的變化對電磁噪聲產生的影響。

表4 基波磁密與波形畸變率

從表5中可以看出,隨著δ/δmin的增大,電磁產生的噪聲值逐漸變大。雖然氣隙磁的密形度更好,電機的效率也增高了,但電磁產生的噪聲值也隨之變大了。從表6中可以看出, 隨著δ值的增大,電磁產生的噪聲值有所降低,但磁體中間部分的厚度也降低了,所以會相應加大磁體的厚度,這就導致磁體的使用量變大。

表5 噪聲值

表6 永磁體形狀與噪聲值關系

3.4 定子槽

槽口為半開槽口,從裝配工藝方面來說,一般以電機繞組易嵌入為準,因為,槽口不僅會影響氣隙諧波,還會影響齒槽轉矩,槽口寬度對電磁噪聲影響的計算結果如下圖5,可以看出,隨著槽口寬度增加,電磁噪聲正比例增加。槽口高度對電磁噪聲影響,有限元計算結果如圖6,隨著高度增加,電磁噪聲在降低。

圖5 槽口寬度與電磁噪聲關系

圖6 槽口高度與電磁噪聲關系

4 結語

本文以4極永磁無刷直流電機為研究對象,對國內外研究現狀進行分析,從公式解析法和有限元分析法兩方面對永磁無刷直流電機進行計算,分析了極槽配合、極弧因素、永磁體以及定子槽尺寸對永磁無刷直流電機噪聲影響規律,從而獲得在保證電機性能前提下,抑制噪聲方法。