充磁方式對永磁無刷直流電機激振力波的影響

2017-04-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

樊曉波, 胡利民

(中國船舶重工集團公司第705研究所昆明分部, 云南昆明, 650106)

摘要: 為降低水下航行器用永磁無刷直流電機(PM BLDCM)的振動與噪聲影響, 針對PM BLDCM在不同充磁方式下電磁激振力波存在差別的問題, 建立了PM BLDCM的有限元分析模型, 分別在空載和負載條件下, 對比分析了徑向和平行2種充磁方式下氣隙磁密的分布特點。基于Maxwell應力張量法計算電磁力, 完成了空載和負載條件下電機徑向電磁激振力波的仿真, 對比了2種充磁方式對徑向電磁力波的影響, 得到了其分布特點。研究結果表明, 空載和負載條件下, 電磁激振力波存在較大差異, 為確定充磁方式對電磁激振力波的影響, 需要在負載情況下完成分析; 與平行充磁相比較, 負載時徑向充磁方式下, 主要頻率的幅值均有所增大, 而其余頻率的幅值有所降低。

關鍵詞: 水下航行器; 永磁無刷直流電機; 充磁方式; 平行; 徑向; 氣隙磁密; 電磁激振力波

0 引言

永磁無刷直流電機(permanent magnet brushless DC motors, PM BLDCM)因其高效、高功率密度、高可靠性的特點, 已經廣泛應用于水下航行器中。隨著水下航行器聲隱身性能要求的不斷提高, 對PM BLDCM的振動和噪聲提出了更高的要求。電機的振動噪聲主要有電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力學噪聲, 其中, 電磁振動和噪聲主要是由電機內部的徑向電磁力波引起[1]。而PM BLDCM中所采用表貼式永磁體一般為徑向充磁或平行充磁的方式[2], 平行充磁加工工藝簡單、成本低, 徑向充磁磁鋼加工相對復雜, 近年來才得到發展。因此, 開展充磁方式對PM BLDCM電磁激振力波影響的研究具有重要意義。

國內外許多學者對電機電磁噪聲的產生機理和影響因素進行了比較深入的研究。陳永校[1]等對異步電機、同步電機和直流電機噪聲產生的機理、測試進行了詳細的論述, 結合定子的固有頻率和結構特點, 提出了降低噪聲的措施和方法。T. Kobayashi[3]等使用有限元方法分析了異步電機齒槽組合對電磁振動和噪聲的影響。D. Torrengrossa[4]等建立了計算電機電磁場、電機結構和噪聲分析的有限元模型, 研究了轉子斜槽對PM BLDCM的電磁振動和噪聲的影響。

在PM BLDCM中, 永磁體充磁方式對電機性能有較大影響。朱德明[5]等基于有限元方法對比分析了徑向和平行2種充磁方式下電機磁密的分布特點, 給出了最佳磁鋼厚度的取值范圍。沈建新[6]等在研究中得出了在使用表面粘貼磁瓦時平行充磁優于徑向充磁的結論。李延升[7]等分析對比了徑向、平行和Halbach 3種充磁方式時永磁電機氣隙磁場的分布特點。張冉[8]等雖然嘗試建立了徑向和平行2種充磁方式下永磁電機的解析模型, 但是僅研究了空載激振力波, 即忽略了定子電流的影響。而實際中電流諧波與電磁振動的大小直接相關, 需要進行研究。

為此, 文中建立了PM BLDCM的有限元分析模型, 對比分析了徑向和平行2種充磁方式下氣隙磁密的分布特點?；贛axwell應力張量法計算電磁力, 分別完成了空載和負載條件下電機徑向電磁力波的研究。同時對比了2種充磁方式對徑向電磁力波的影響。

1 有限元模型建立

2 PM BLDCM有限元磁場分析

3 空載時充磁方式對徑向電磁力波的影響

4 負載時充磁方式對徑向電磁力波的影響

(以上內容詳見《魚雷技術》2016-6期P444~449)

5 結論

文中基于有限元分析方法, 研究了不同充磁方式對電機徑向電磁力波影響, 得到如下結論。

1) 采用平行充磁的內轉子永磁電機有更大的氣隙磁密, 更接近于正弦分布, 而徑向充磁的徑向氣隙磁場接近梯形分布。

2) 極對數為p、以電機機械旋轉頻率為基頻時, 時間諧波階次和空間模數均集中在2np (n=1,2,3…), 且同一時間頻率的諧波會出現在不同空間模數的頻譜中。

3) 空載時, 除個別頻率外, 徑向充磁方式下, 頻譜幅值均有所增大。

4) 與空載相比較, 負載時低階空間模數頻譜中, 各諧波幅值均有大幅提高, 而高階空間模數頻譜中諧波幅值變化不顯著。故空載下電磁力波不能完全反映出電機負載工作時的振動激勵情況, 需要進行負載下的電磁力波分析。

5) 負載時徑向充磁方式下, 主要頻率的幅值均有所增大, 而其余頻率的幅值有所降低。對于主要頻譜主導的振動而言, 徑向充磁方式的電機具有更大的激勵力, 而其余振動頻譜主導的振動而言, 平行充磁方式的電機具有更大的電磁振動激勵力。

參考文獻:

[1] 陳永校. 電機噪聲的分析與控制[M]. 杭州: 浙江大學出版社, 1987.

[2] 唐任遠. 現代永磁電機理論與設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 2006.

[3] Kobayashi T, Tajima F, Ito M, et al. Effects of Slot Combination on Acoustic Noise from Induction Motors[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1997, 33(2): 2101-2104.

[4] Torregrossa D, Peyraut F, Cirrincione M, et al. A New Passive Methodology for Reducing the Noise in Electrical Machines: Impact of Some Parameters on the Modal Analysis[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2010, 46(5): 1899-1907.

[5] 朱德明, 嚴仰光. 表貼式永磁電機的兩種充磁方式[J]. 南京航天航空大學學報, 2006, 38(3): 304-308.

[6] 沈建新, 費偉中, 陳利根. 氣隙磁場波形及磁瓦充磁方式對無刷直流性能的影響[J]. 微特電機, 2006, 34(6): 7-9.

[7] 李延升, 竇滿峰, 趙冬冬. 磁鋼充磁方式對表貼式永磁電機磁場影響分析[J]. 電機與控制學報, 2011, 15(12): 26-31.

[8] 張冉, 王秀和, 喬東偉. 極弧系數選擇對永磁無刷直流電機激振力波的影響[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(21): 79-85.

[9] 湯蘊繆. 電機內的電磁場[M]. 第2版. 北京: 科學出版社, 1998.

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