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1 前言 電機振動(dòng)與噪聲一直是困擾工程師的難題，嚴重時(shí)可成為決定產(chǎn)品能否滿(mǎn)足標準限值的瓶頸和能否穩定運行的關(guān)鍵因素。電機振動(dòng)和噪聲的原因有很多，永磁同步電機在運轉過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生機械振動(dòng)、空氣動(dòng)力學(xué)噪聲和電磁噪聲。機械振動(dòng)、空氣動(dòng)力學(xué)噪聲已研究出了多種解決方案，但電磁噪聲無(wú)法徹底消除，是很多永磁同步電機的主要振動(dòng)噪聲源。電磁噪聲是由電機氣隙磁場(chǎng)中各次諧波磁場(chǎng)作用于電機鐵心產(chǎn)生的徑向電磁力形成的。如果電磁力的某些階次諧波頻率與電機的固有頻率相近，則會(huì )產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲，甚至損壞電機。為了在競爭中立于不敗之地，控制成本的同時(shí)，設計人員在研發(fā)初期就應該意識到電磁振動(dòng)噪聲問(wèn)題，妥善處理力波的階次和氣隙磁密幅值，從源頭上降低電磁振動(dòng)的響應量。 氣隙空間的磁場(chǎng)是一個(gè)旋轉力波，除了基波分量外，還有高次諧波分量。一般情況下，轉子剛度相對較強，定子鐵心的徑向變形是主要的。定子變形后引起周?chē)諝庹駝?dòng)，從而產(chǎn)生噪聲。對于永磁同步電機而言，空載和負載時(shí)，電磁噪聲的主要成分頻率是不變的，而幅值是由勵磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的基波磁場(chǎng)與電樞反應引起的磁場(chǎng)通過(guò)矢量合成的。 2 徑向電磁力 電磁力波本質(zhì)上是應力，單位是N/m2。根據Maxwell應力張量法，定子鐵心單位面積上的徑向電磁力與切向電磁力可寫(xiě)為如下表達式： F_rad=(B_r^2-B_t^2)/(2*μ_0 )≈(B_r^2)/(2*μ_0 ) (1) F_(tan )=(B_r*B_t)/μ_0 （2） 其中，μ_0是真空磁導率。由式（1）、（2）可以看出，F_rad、F_(tan )與磁感應強度的徑向及切向分量、真空磁導率有關(guān)。因徑向磁密遠大于切向磁密，式（1）中也經(jīng)常略去切向分量的平方項。磁感應強度為Maxwell的默認輸出量，但其徑向及切向分量需要通過(guò)Caculator編輯輸出。 3 徑向及切向磁密求取方法 以一臺4極24槽表貼式永磁同步電機為例，基于A(yíng)NSYS Maxwell R19.1 版本，模型如下圖所示。 （3）電機仿真模型 電機仿真求解時(shí)使用的是笛卡爾坐標系，按照正常的仿真流程對電機求解以后，在Caculator中進(jìn)行后處理，轉化公式為B_r=B_x*cos(θ)+B_y*sin(θ) (4)，θ是柱坐標與x軸的夾角，Bx是磁感應強度的x軸分量，By是磁感應強度的y軸分量。步驟如下： （5）打開(kāi)Calculator 打開(kāi)Caculator后，場(chǎng)計算器如圖（5）所示，依圖（5）（6）、（7）、（8）、（9）、（10）、（11）標識序號的順序，將徑向磁密的表達式寫(xiě)入Caculator 棧內。 （5）磁感應矢量 （6）求取磁感應矢量x分量 （7）求取cos(θ) （8）求取B_x*cos(θ) 類(lèi)似的步驟求取B_y*sin(θ),如下圖示（9） （9）求取B_y*sin(θ) （10）將 B_x*cos(θ)與B_y*sin(θ)相加獲得B_r 獲得B_r的表達式后，按圖（11）把B_r表達式存入Named Expressions : （11）將B_r的表達式存入Named Expressions 點(diǎn)擊OK確認后，如圖（12）所示，Named Expressions欄將出現如圖（13）所示的B_r及其表達式。 （12）編輯的表達式存入棧內 類(lèi)似的運算和操作步驟獲得B_t=B_y*cos(θ)-B_x*sin(θ) (13) 4對需要求解位置做標記 在氣隙R=37.2mm處畫(huà)圓線(xiàn)，如下圖（14）。 圖 （14） 求解位置處圓線(xiàn) 5 徑向電磁力密度求解設置 氣隙處徑向電磁力密度是時(shí)間和空間的函數，在常規的求解設置之外，需增加如下圖（15）、（16）的設置： （15） 打開(kāi)Setup界面，點(diǎn)擊Expression Cache,點(diǎn)擊Add （16）力密度輸出設置 點(diǎn)擊完（16）Add Calculation 后，如下圖示，Expression Cache 中增加了一項，如下（17）所示。 （17）力密度輸出設置 6 力密度輸出步驟 結合空載磁感應強度分布圖（18）可看出，仿真出現4對磁感應閉合線(xiàn)，仿真模型是正確的。 （18）空載磁感應強度分布 后處理通常有Field overlays和Results 2種，力密度在Results中的Field reports選項中如下圖（19）、（20）所示： （19）力密度輸出 （20）力密度輸出 （21）力密度輸出 可以看出，如圖（21）、（22）所示，空載時(shí)，圓周上的徑向磁密、徑向力波具有明顯的周期性。 （22）力密度輸出 （23）力密度輸出 類(lèi)似的，可以求出某點(diǎn)力波隨時(shí)間的變化關(guān)系： （24）力密度輸出 以上輸出了某一時(shí)刻空間的徑向力波、某一點(diǎn)任意時(shí)刻的徑向力波，如果查看徑向力波同時(shí)與空間、時(shí)間的關(guān)系，可以采用3D Retangle輸出方式： （25）3D力密度輸出 （26）3D力密度輸出 （27）3D力密度輸出 7 總結 本次仿真給出了空載徑向力波輸出的具體步驟，在次基礎上還可以進(jìn)行其他工況的分析。進(jìn)一步進(jìn)行傅里葉分解，進(jìn)一步在頻域查看分析力波幅值和力波階數對電磁噪聲的影響。 |
