磁性槽楔對永磁同步電機(jī)電磁振動影響分析

詹宇聲，張宸菥，鄧智浩

磁性槽楔對永磁同步電機(jī)電磁振動影響分析

詹宇聲，張宸菥，鄧智浩

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢，430064）

首先分析永磁同步電機(jī)定子開槽情況下的空載氣隙電磁激振力波表達(dá)式。結(jié)合有限元方法分析采用磁性槽楔和常規(guī)非磁性槽楔對氣隙磁場和電磁激振力波的影響。使用電磁-振動耦合仿真，分析磁性槽楔對電磁振動的影響。結(jié)果表明，磁性槽楔可以降低氣隙磁場畸變，顯著降低齒頻附近的激振力波分量幅值，從而有效地降低電機(jī)的電磁振動。

永磁同步電機(jī) 電磁振動 磁性槽楔

0 引言

永磁同步電機(jī)憑借其結(jié)構(gòu)簡單、效率高、重量輕等優(yōu)勢，在電動汽車、船舶、航空航天等行業(yè)得到了越來越廣泛的運(yùn)用。與此同時，降低永磁同步電機(jī)的振動也成為了亟待解決的問題。

永磁同步電機(jī)的振動包括電磁振動和機(jī)械振動，其中由徑向電磁激振力引起的徑向電磁振動占振動的主要部分[1～2]。在電磁振動的各個組成成分中，由于定子開槽造成氣隙磁場畸變，從而引起的齒頻及其附近頻率的振動，具有頻率低、幅值大、危害高、消除難度大的特點(diǎn)[3]。因此，削弱齒頻振動具有非常重要的意義。目前消除齒頻振動的方法主要有采用半閉口槽、斜槽或斜極結(jié)構(gòu)[4]，但這些方法都會增加施工的難度，提高生產(chǎn)成本。而采用磁性槽楔，可以改善開槽引起的氣隙磁場不均勻程度，抑制齒諧波磁場，從而降低齒頻電磁振動[5]。

本文以一臺內(nèi)轉(zhuǎn)子表貼式永磁同步電機(jī)作為研究對象，結(jié)合理論分析和有限元仿真計算，分別對使用普通非磁性槽楔和磁性槽楔時的氣隙磁密和空載電磁激振力波進(jìn)行對比分析，解釋磁性槽楔影響電機(jī)振動性能的機(jī)理。通過電磁-結(jié)構(gòu)耦合仿真，研究采用磁性槽楔對電機(jī)齒頻振動的抑制效果，驗(yàn)證理論分析的正確性。

1 磁性槽楔對電磁力影響分析

當(dāng)定子開槽時，徑向氣隙磁密可以表示為[6]：

式中：——永磁體正對的定子齒中心線和永磁體中心線的夾角

B——次主極磁場的諧波磁密的幅值

∧0——?dú)庀吨髌骄艑?dǎo)

——電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角速度

——電機(jī)轉(zhuǎn)子極對數(shù)

∧K——?dú)庀兜诖沃C波磁導(dǎo)的幅值

Z——定子槽數(shù)

式（1）中，r的表達(dá)式共有兩項(xiàng)，前一項(xiàng)也可看做是氣隙長度為c且均勻時的主極磁場，后一項(xiàng)為定子開槽導(dǎo)致的周期性變化的附加磁場，其中，為氣隙長度，c為卡特系數(shù)：

式中：1——定子的齒距；b1——定子槽口寬。

根據(jù)麥克斯韋應(yīng)力張量理論，永磁同步電機(jī)的徑向力波p可以通過氣隙磁密r求得[7]：

其中，項(xiàng)3為定子自身磁場作用產(chǎn)生的力波，項(xiàng)4和項(xiàng)5為定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相作用產(chǎn)生的力波，這3項(xiàng)都包含了定子開槽產(chǎn)生的附加磁場造成的附加力波。當(dāng)采用磁性槽楔時，由于磁性槽楔降低了開槽對磁場的影響，提升了磁場的均勻程度，所以可以有效的降低3、4、5三項(xiàng)力波成分，從而降低電機(jī)振動。

2 徑向電磁力有限元分析

本文的研究對象是一臺16極96槽永磁同步電機(jī)，其外形和定子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 永磁同步電機(jī)及其定子外形圖

由于此電機(jī)采用直槽、非斜極的結(jié)構(gòu)，忽略端部影響，電機(jī)的氣隙磁場在沿軸方向上處處相等，所以可以建立二維剖面模型來分析氣隙磁場。在Ansoft 2D中建立電機(jī)的二維仿真模型，采用非磁性槽楔和磁性槽楔的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 非磁性槽楔和磁性槽楔結(jié)構(gòu)仿真模型

分別提取兩種方案氣隙中心線處的徑向氣隙磁密波形，如圖3，波形圖的橫坐標(biāo)為氣隙中心線上某位置與起始位置的角度差。由圖3可以看出，采用磁性槽楔后，徑向氣隙磁密的畸變有所降低。

圖3 空載徑向氣隙磁密波形

分別將圖3中的徑向氣隙磁密波形進(jìn)行空間快速傅里葉分解，結(jié)果圖4所示。其中8階分量為氣隙磁密的基波，24階和88階分量分別為3次諧波和11次諧波。通過分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用磁性槽楔后，氣隙磁密基波分量提升，諧波分量降低，改善氣隙磁密的正弦度，可以提高永磁體利用率，增加電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

圖4 空載徑向氣隙磁密FFT分析

根據(jù)式(4)，由氣隙磁密r的波形運(yùn)算得到徑向力波r，提取兩種方案氣隙中心線處的r波形，并對其做空間快速傅里葉分解，結(jié)果分別圖如圖5和圖6所示。

圖5 空載徑向氣隙電磁激振力波形

圖6 空載徑向氣隙電磁激振力FFT分析

根據(jù)前文的分析，采用磁性槽楔可以有效的降低定子開槽引起的磁場畸變，所以我們重點(diǎn)關(guān)注齒頻（對應(yīng)96階次）附近的電磁激振力分量變化情況。對比圖6的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，采用磁性槽楔后，96階次和112階次的電磁激振力分量都出現(xiàn)了明顯的降低，從而可以有效的降低齒頻附近的電機(jī)振動。

3 徑向電磁振動仿真分析

采用文獻(xiàn)[8]的方法進(jìn)行電磁-振動多物理場耦合仿真，仿真的準(zhǔn)確性在文獻(xiàn)中已經(jīng)得到證明。在ANSYS Workbench中，將Ansoft 2D的定子受力仿真結(jié)果作為輸入，導(dǎo)入到Harmonic Response模塊中，得到使用非磁性槽楔和磁性槽楔兩種方案下電機(jī)定子機(jī)殼外表面處的徑向振動加速度頻譜圖，如圖7所示。

圖7 振動加速度頻譜

根據(jù)前文分析，采用磁性槽楔會降低齒頻（480 Hz）附近的的電機(jī)振動，所以我們主要關(guān)注齒頻附近的振動加速度幅值。在表1中，列出了齒頻附近500 Hz以內(nèi)的總振動加速度分貝值。由仿真結(jié)果對比可以看出，采用磁性槽楔后，齒頻振動和電機(jī)的總振動都出現(xiàn)了明顯下降，證明了前文分析的準(zhǔn)確性。

表1 電機(jī)振動加速度分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文以一臺16極96槽永磁同步電機(jī)為例，結(jié)合理論分析和有限元驗(yàn)證的方法，分析了采用磁性槽楔和常規(guī)槽楔對電機(jī)振動的影響，通過研究得出以下結(jié)論：

1）磁性槽楔可以降低定子開槽造成的氣隙磁場畸變，提高氣隙磁場的正弦度。

2）磁性槽楔可以降低氣隙低階電磁激振力波，尤其是齒頻附近的激振力波分量，從而有效的降低齒頻附近的電磁振動，達(dá)到降低電機(jī)振動的效果。

[1] Wang S, Hong J, Sun Y, et al． Exciting force and vibration analysis of stator permanent magnet synchronous motors [J]． IEEE Transactions on Magnetics, 2018, 54(11): 8108205．

[2] Han Z, Liu J, Gong C, et al． Influence mechanism on vibration and noise of PMSM for different structures of skewed stator [C]∥2017 20th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS)，2017．

[3] 張磊, 吳新振. 磁性槽楔對同步發(fā)電機(jī)參數(shù)與性能的影響[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2020(03): 32-35+50.

[4] 張守首, 郭思源. 考慮分段斜極和磁性槽楔的永磁同步電機(jī)磁場解析方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(01): 11-22.

[5] 柳文, 趙乾麟. 降低無刷直流電機(jī)電磁噪聲的方法[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2013, 26(01): 77-79.

[6] 黃厚佳, 李全峰, 徐余法．小功率表貼式永磁同步電機(jī)徑向電磁力波特性研究[J]．電機(jī)與控制應(yīng)用，2018, 45(8): 74．

[7] ISLAM M, ISLAM Ｒ, SEBASTIAN T． Noise and vibration characteristics of permanent magnet synchronous motors using electromagnetic and structural analyses[J]．IEEE Transactions on Industry Applications, 2014, 50(5): 3214．

[8] 詹宇聲, 祝后權(quán), 周貴厚. 斜槽對永磁同步電機(jī)徑向激振力波及振動的影響[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2019, 46(05): 36-40+71.

Analysis on Vibration of Permanent Magnet Synchronous Motor with Magnetic Wedges

Zhan Yusheng, Zhang Chenxi, Deng Zhihao

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM341

A

1003-4862（2021）07-0045-04

2020-12-28

詹宇聲（1992-），男，博士研究生。研究方向：推進(jìn)電機(jī)設(shè)計。E-mail：344347683@qq.com