永磁同步電機噪聲分析及優(yōu)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(chǎn)生磁場,使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),與傳統(tǒng)電機相比,重量可減少20%以上,具有高效率、節(jié)能特點,在電動汽車、壓縮機等工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用,隨著對產(chǎn)品品質(zhì)要求提高,電機的噪聲問題越來越引起市場和學者門的關(guān)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(jié)構(gòu)與噪聲關(guān)系,研究減低噪聲方法。

1 噪聲研究現(xiàn)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(nèi)外降低噪聲方法主要有三方面:第一是從電機零部件設(shè)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(zhuǎn)矩脈動。第三是從電機氣隙、永磁體等電機結(jié)構(gòu)方面,優(yōu)化參數(shù),從根本上降低噪聲[1]。

相比較三種方法,第三種可以從設(shè)計源頭減低噪聲。有學者研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)對電機振動的噪聲以及電磁性能產(chǎn)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(jié)果顯示,當電磁力諧波在較大的頻率點時相應(yīng)的振動也產(chǎn)生了比較大的加速度,致使電磁產(chǎn)生了較大的噪聲。而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)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(chǎn)生的噪聲變小,使轉(zhuǎn)矩脈動降低的同時保證輸出轉(zhuǎn)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(chǎn)生主要原因,并優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)。

2 電磁仿真分析

電機為4極6槽結(jié)構(gòu),額定電流2.9A,額定轉(zhuǎn)矩1.94Nm,采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),由于電機結(jié)構(gòu)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(jié)果如圖1所示,磁路有三部分,第一部分是永磁體流經(jīng)氣隙最后進入定子沖片,第二部分是轉(zhuǎn)子軛部繞過隔磁橋進入永磁體內(nèi),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(fā)生振動變形,在不計變頻裝置產(chǎn)生噪聲不利影響,電機正常工作狀態(tài)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(jié)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(fā)現(xiàn),奇數(shù)倍諧波較大,偶數(shù)倍諧波較小,且雜波多。利用Matlab軟件計算徑向電磁力結(jié)果,發(fā)現(xiàn)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(fā)生振動并產(chǎn)生變形,致使齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(yīng)增大,以至氣隙系數(shù)隨之增加,而定子的繞組磁場和氣隙系數(shù)成反比值。在永磁電機的結(jié)構(gòu)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(diào)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(guān)系圖,如圖5所示。

圖5 槽口寬度與氣隙磁密關(guān)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(yīng)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(jù)定子槽口的寬度加大而發(fā)生諧波幅值的增加。

圖6 槽口寬度與氣隙磁密諧波幅值關(guān)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(fā)生改變。為了減弱諧波幅值、讓齒槽轉(zhuǎn)矩減小,可以相應(yīng)縮小定子槽口尺寸,這樣同時也能增加輸出轉(zhuǎn)矩,提高永磁電機的性能。

2.2 氣隙長度分析

電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)隨之產(chǎn)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(jié)果如圖7所示,從圖中可以看出,氣隙磁密呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)長度逐漸變大,基波便會逐漸變小;10次諧波情況下,氣隙結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn),氣隙長度微小變化也可以對電機電磁性能產(chǎn)生較大影響。因此,應(yīng)該綜合考慮工藝加工難度、電機電磁性能等,設(shè)計合理的氣隙長度。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 氣隙方面優(yōu)化

轉(zhuǎn)子與定子表面間氣隙結(jié)構(gòu)有兩種,一種是均勻的,一種是非均勻的。均勻的氣隙結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩脈動過大,不均勻的氣隙結(jié)構(gòu)可以很好解決這一問題,但過低的氣隙會導致電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時與定子發(fā)生刮擦,較大的氣隙長度會影響電機轉(zhuǎn)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(shù)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(guī)律,見圖9;輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)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(shù)下最低,而且輸出轉(zhuǎn)矩在1.5mm出現(xiàn)拐點,0.7mm至1.5mm之間輸出轉(zhuǎn)矩基本不變,大約1.5mm輸出轉(zhuǎn)矩急劇減小。因此,在考慮噪聲和電機性能兩方面情況下,優(yōu)先選擇1.5mm電機氣隙。

圖9 氣隙次冪諧波變化

圖10 輸出轉(zhuǎn)矩變化

3.2 永磁體方面優(yōu)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(shè)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(jié)構(gòu),對原始、雙弧型、外弧型、內(nèi)弧型四種磁體結(jié)構(gòu)研究分析。對氣隙磁密曲線的正弦性進行優(yōu)化,以此來減小諧波幅值,從而達到降低電磁振動的結(jié)果。應(yīng)用有限元法,對原始、雙弧型、外弧型、內(nèi)弧型四種磁體結(jié)構(gòu)進行建立模型,并對其進行比較分析,永磁體形態(tài)的變化,使氣隙磁場也發(fā)生相應(yīng)改變,圖11為磁密曲線對比圖,通過曲線對比的發(fā)現(xiàn),其中在采用雙弧型、外弧型、內(nèi)弧型三種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的效果更好,更優(yōu)化。

圖11 磁密曲線對比圖

4 結(jié)語

本文以4極永磁同步電機為例,對噪聲研究現(xiàn)狀進行了調(diào)查,通過電磁仿真分析,得出噪聲產(chǎn)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(zhuǎn)矩的影響規(guī)律,最終從氣隙和永磁體參數(shù)兩個方面進行優(yōu)化,獲得在保證電機性能前提下,抑制噪聲方法。