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起重電機(jī)之永磁電機(jī)的振動(dòng)噪聲 |
發(fā)布時(shí)間：2022-07-16 13:24:00 點(diǎn)擊： |
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起重電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫宏達(dá)2022年7月16日訊 電機(jī)中的定子電磁噪聲主要受兩方面的因素影響，電磁激振力和相應(yīng)激振力引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及聲輻射，以下對(duì)引起噪聲的定子電磁力的解析表達(dá)及相應(yīng)的振動(dòng)和聲輻射的研究情況進(jìn)行綜述。
英國謝菲爾德大學(xué)的Z.Q.Zhu教授等運(yùn)用解析法對(duì)永磁電機(jī)定子電磁力及其噪聲進(jìn)行研究，對(duì)永磁無刷電機(jī)電磁力進(jìn)行理論研究，對(duì)10 極 9 槽的永磁無刷直流電機(jī)的振動(dòng)噪聲進(jìn)行研究，理論上研究了電磁力與定子齒寬間的關(guān)系，同時(shí)分析了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與振動(dòng)噪聲優(yōu)化結(jié)果間的關(guān)系。沈陽工業(yè)大學(xué)的唐任遠(yuǎn)教授、宋志環(huán)提供了完整的解析方法研究永磁電機(jī)內(nèi)的電磁力及其諧波，為進(jìn)一步的永磁電機(jī)噪聲理論研究提供了理論支持。圍繞正弦波和變頻器供電的永磁同步電機(jī)進(jìn)行電磁振動(dòng)噪聲源的分析，對(duì)氣隙磁場(chǎng)、法向電磁力和振動(dòng)噪聲的特征頻率進(jìn)行研究，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因進(jìn)行分析，其次運(yùn)用有限元對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行仿真并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)分析了不同槽極配合情況下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，以及氣隙長度、極弧系數(shù)、削角、槽口寬度等對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響。電磁徑向力和切向力的模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的模態(tài)仿真，對(duì)電磁力和振動(dòng)噪聲響應(yīng)進(jìn)行了頻域分析和聲輻射模型的分析，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真和實(shí)驗(yàn)研究，其指出永磁電機(jī)定子主要模態(tài)如圖所示。
電機(jī)本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)
電機(jī)中主磁通大致上沿徑向進(jìn)入氣隙，并在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力，從而引起電磁振動(dòng)和噪聲。同時(shí)，它產(chǎn)生切向力矩和軸向力，引起切向振動(dòng)和軸向振動(dòng)。在很多場(chǎng)合，如電機(jī)不對(duì)稱或單相電機(jī)中，所產(chǎn)生的切向振動(dòng)很大，容易引起與電機(jī)相連的部件共振，產(chǎn)生輻射噪聲。為了計(jì)算電磁噪聲，并分析和控制這些噪聲，必須知道他們的來源，即產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的力波。為此，通過氣隙磁場(chǎng)的分析，進(jìn)行電磁力波的分析。假設(shè)定子所產(chǎn)生的磁通密度波為 ,轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通密度波為 ，則它們?cè)跉庀吨泻铣纱磐芏炔杀硎救缦拢?/span>
定、轉(zhuǎn)子開槽、繞組分布、輸入電流波形畸變、氣隙磁導(dǎo)波動(dòng)、轉(zhuǎn)子偏心、相同不平衡等因素均會(huì)導(dǎo)致機(jī)械變形進(jìn)而引發(fā)振動(dòng)。磁動(dòng)勢(shì)的空間諧波、時(shí)間諧波、槽諧波、偏心諧波以及磁飽和等均會(huì)產(chǎn)生力和轉(zhuǎn)矩的高次諧波。尤其是交流電機(jī)中的徑向力波，它會(huì)同時(shí)作用于電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生磁路畸變。定子——機(jī)座和轉(zhuǎn)子——外殼結(jié)構(gòu)是電機(jī)噪聲的主要輻射源。如果徑向力接近或等于定子——基座系統(tǒng)的固有頻率，則將產(chǎn)生共振，這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)定子系統(tǒng)的形變并產(chǎn)生振動(dòng)和聲學(xué)噪聲。在大多數(shù)情況下，由低頻2f、高階 的徑向力所引起的磁致伸縮噪聲可忽略不計(jì)（f為電機(jī)的基波頻率，p是電機(jī)極對(duì)數(shù)）。但是，磁致伸縮引起的徑向力可以達(dá)到氣隙磁場(chǎng)引起的徑向力的50%左右。對(duì)于由逆變器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，由于其定子繞組的電流中存在高次時(shí)間諧波，而時(shí)間諧波會(huì)產(chǎn)生附加的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這些附加轉(zhuǎn)矩通常要比空間諧波產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。此外，整流單元產(chǎn)生的電壓紋波也會(huì)通過中間電路傳遞至逆變器，產(chǎn)生另一種脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。就永磁同步電機(jī)的電磁噪聲而言，麥克斯韋力和磁致伸縮力是造成電機(jī)振動(dòng)和產(chǎn)生噪聲的主要因素。
電機(jī)的電磁噪聲除了與氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力波頻率、階數(shù)和幅值有關(guān)之外，還與電機(jī)的結(jié)構(gòu)固有模態(tài)有關(guān)。電磁噪聲主要由電機(jī)定子及殼體的振動(dòng)產(chǎn)生。因此，提前通過理論公式或仿真預(yù)估定子的固有頻率，并將電磁力頻率和定子固有頻率錯(cuò)開，是減小電磁噪聲的有效手段。當(dāng)電機(jī)徑向力波頻率與定子的某階固有頻率相等或相近時(shí)，就會(huì)引起共振。此時(shí)，即使徑向力波的幅值不大，也會(huì)導(dǎo)致定子較大的振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生較大的電磁噪聲。對(duì)電機(jī)噪聲而言，最重要的是研究以徑向振動(dòng)為主、軸向階數(shù)為零，空間振型六階以下的固有模態(tài)，如圖所示。
定子振動(dòng)形式
在分析電機(jī)振動(dòng)特性時(shí)，由于阻尼對(duì)電機(jī)定子的模態(tài)振型和頻率影響有限，可不予考慮。結(jié)構(gòu)阻尼是通過應(yīng)用高能量耗散機(jī)理去降低共振頻率附近的振動(dòng)級(jí)，如圖所示，只在共振頻率或接近共振頻率時(shí)需考慮。
阻尼的影響
定子添加繞組后，鐵芯槽內(nèi)的繞組表面經(jīng)過清漆處理，絕緣紙、清漆和銅線互相附著，而且槽內(nèi)的絕緣紙與鐵芯的齒也緊貼在一起。因此，槽內(nèi)繞組對(duì)于鐵芯具有一定的剛度貢獻(xiàn)，不能單純地作為附加質(zhì)量處理。在采用有限元法進(jìn)行分析時(shí)，有必要根據(jù)齒槽內(nèi)繞組的材料求出表征各類機(jī)械性能的參數(shù)。工藝實(shí)施時(shí)應(yīng)盡量保證浸漆的質(zhì)量和提高線圈繞線的張力、提高繞組與鐵芯配合的緊密程度，增大電機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度，提高固有頻率從而避免共振，減小振動(dòng)幅值，降低電磁噪聲。定子壓入殼體后的固有頻率與單定子鐵芯有一定的差異，殼體能明顯提高定子結(jié)構(gòu)的固頻，尤其是低階固頻，但殼體本身會(huì)產(chǎn)生一些局部模態(tài)，使共振的轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)增多，增大了電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)避免共振的難度。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小殼體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，并可通過適當(dāng)提高殼體厚度等措施來提高電機(jī)結(jié)構(gòu)的固有頻率，避免共振的發(fā)生。另外，在采用有限元預(yù)估時(shí)合理設(shè)置定子鐵芯與殼體的接觸關(guān)系是非常重要的。
磁密作為電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，通常能反應(yīng)電機(jī)的工作狀態(tài)。因此我們首先提取和查看磁密值，第一是為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，第二是為了后續(xù)電磁力的提取提供一個(gè)依據(jù)。提取電機(jī)磁密云圖如下圖所示。
從云圖上可以看出，隔磁橋位置磁密遠(yuǎn)高于定轉(zhuǎn)子鐵芯BH曲線的拐點(diǎn)，能夠起到比較好的隔磁效果。
提取電機(jī)氣隙及齒部位置的磁密，繪制曲線，可以看出電機(jī)氣隙磁密和齒部磁密的具體數(shù)值。齒部磁密距離材料拐點(diǎn)有一定距離，推測(cè)是設(shè)計(jì)時(shí)考慮電機(jī)高轉(zhuǎn)速的時(shí)候鐵耗過高所致。
基于電機(jī)結(jié)構(gòu)模型和網(wǎng)格，定義材料，定子鐵芯定義為結(jié)構(gòu)鋼，機(jī)殼定義為鋁材料，對(duì)電機(jī)整體進(jìn)行模態(tài)分析。得到電機(jī)整體模態(tài)如下圖所示。
電機(jī)的諧響應(yīng)分析，得到各個(gè)轉(zhuǎn)速下振動(dòng)加速度的結(jié)果如下圖所示。
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