充磁方式對永磁無刷直流電機(jī)激振力波的影響

2017-04-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

樊曉波, 胡利民

(中國船舶重工集團(tuán)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(jī)(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(fù)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(diǎn)。基于Maxwell應(yīng)力張量法計算電磁力, 完成了空載和負(fù)載條件下電機(jī)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(diǎn)。研究結(jié)果表明, 空載和負(fù)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(fù)載情況下完成分析; 與平行充磁相比較, 負(fù)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(guān)鍵詞: 水下航行器; 永磁無刷直流電機(jī); 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(jī)(permanent magnet brushless DC motors, PM BLDCM)因其高效、高功率密度、高可靠性的特點(diǎn), 已經(jīng)廣泛應(yīng)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(jī)的振動噪聲主要有電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動力學(xué)噪聲, 其中, 電磁振動和噪聲主要是由電機(jī)內(nèi)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(fù)雜, 近年來才得到發(fā)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(nèi)外許多學(xué)者對電機(jī)電磁噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素進(jìn)行了比較深入的研究。陳永校[1]等對異步電機(jī)、同步電機(jī)和直流電機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理、測試進(jìn)行了詳細(xì)的論述, 結(jié)合定子的固有頻率和結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 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(jī)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(jī)電磁場、電機(jī)結(jié)構(gòu)和噪聲分析的有限元模型, 研究了轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)磁密的分布特點(diǎn), 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(yōu)于徑向充磁的結(jié)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(jī)氣隙磁場的分布特點(diǎn)。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(jī)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(shí)際中電流諧波與電磁振動的大小直接相關(guān), 需要進(jìn)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(diǎn)。基于Maxwell應(yīng)力張量法計算電磁力, 分別完成了空載和負(fù)載條件下電機(jī)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(fù)載時充磁方式對徑向電磁力波的影響

(以上內(nèi)容詳見《魚雷技術(shù)》2016-6期P444~449)

5 結(jié) 論

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

1) 采用平行充磁的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)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(shù)為p、以電機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)頻率為基頻時, 時間諧波階次和空間模數(shù)均集中在2np (n=1,2,3…), 且同一時間頻率的諧波會出現(xiàn)在不同空間模數(shù)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(fù)載時低階空間模數(shù)頻譜中, 各諧波幅值均有大幅提高, 而高階空間模數(shù)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(jī)負(fù)載工作時的振動激勵情況, 需要進(jìn)行負(fù)載下的電磁力波分析。

5) 負(fù)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(dǎo)的振動而言, 徑向充磁方式的電機(jī)具有更大的激勵力, 而其余振動頻譜主導(dǎo)的振動而言, 平行充磁方式的電機(jī)具有更大的電磁振動激勵力。

參考文獻(xiàn):

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

[2] 唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)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(yán)仰光. 表貼式永磁電機(jī)的兩種充磁方式[J]. 南京航天航空大學(xué)學(xué)報, 2006, 38(3): 304-308.

[6] 沈建新, 費(fèi)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(jī), 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(jī)磁場影響分析[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報, 2011, 15(12): 26-31.

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

[9] 湯蘊(yùn)繆. 電機(jī)內(nèi)的電磁場[M]. 第2版. 北京: 科學(xué)出版社, 1998.

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