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【摘要】：电磁力波引起的电磁振动是永磁同步电机产生噪声的重要原因。对电磁力波和电磁振动进行深入研究有助于揭示电机振动的内在规律,对电机噪声的降低具有重要的理论意义和工程价值。国内外学者对永磁同步电机的振动噪声已经做了大量的研究,不过由于电磁力波和电磁振动的复杂性,仍然存在很多问题需要深入分析。本文针对永磁同步电机的径向和切向电磁力波以及二者引起的振动进行了研究,分析了转矩波动抑制措施、极槽配合和绕组结构对电机振动的影响规律。研究了永磁同步电机的径向和切向电磁力波。针对表贴式电机,从径向和切向气隙磁密谐波的理论建模出发,推导了径向和切向电磁力波的表达式,分析了力波的谐波特征并建立了切向力波与齿槽转矩和转矩波动之间的联系。提出了通用的周期分析法,对结构更复杂的表面插入式和内置式电机的气隙磁场和电磁力波进行了谐波分析。采用理论和有限元法分析了永磁体内置对气隙磁场和电磁力波的影响。研究结果表明,无论电机的结构形式如何,切向力波和径向力波的谐波含量都是相同的,其空间阶数均为极数与槽数最大公约数的整数倍,中低频分量的时间次数均为偶数。齿槽转矩和转矩波动仅和零阶切向力波有关。受凸极效应等因素的影响,永磁体内置会引入额外的电枢反应谐波,改变气隙磁密谐波的幅值,进而使多数电磁力波的幅值增大。分析了永磁同步电机径向和切向电磁力波引起振动的机理,并对比了二者对振动的贡献。采用有限元法计算了分数槽集中绕组电机的振动响应,进而提取了定子振动变形的微观模型,揭示了两种力波引起振动的内在机理。提出了基于振动传递函数的线性叠加法,对径向和切向力波的贡献进行了量化分析,并进行了仿真和实验验证。将分析推广到其它极槽配合电机,证明了所得结论的普适性。针对零阶切向力波(转矩波动)的作用机理进行了分析,阐明了其对电机系统振动的具体影响。研究结果表明,由于定子齿存在杠杆效应,非零阶切向力波引起的振动变形与径向力波类似,切向力波对振动的贡献完全可以和径向力波进行比拟。与径向力波类似,非零阶切向力波的贡献同样随着空间阶数的增加而降低。转矩波动会使电机和支架发生侧向振动,并对基座施加随时间波动的力矩,引发系统振动。研究了转矩波动抑制措施对永磁同步电机径向和侧向振动的影响。将转矩波动的抑制措施归纳分类为不对称法和对称法,分别对这两类方法的影响进行了理论分析、仿真计算和实验研究。采用理论方法分析了转矩波动和零阶径向力波之间的联系,并对其进行了仿真验证。针对一台具有宽转速运行范围的整数槽内置式电机,研究了转矩波动抑制给零阶径向力波及其引起振动噪声带来的影响。研究结果表明,不对称法容易引入不平衡磁拉力。当电机转速较高时,转矩波动降低带来的好处远远无法补偿不平衡磁拉力对电机振动噪声的影响。对称法只能保证减小次数最低的零阶切向力波,而无法确保其它阶次力波的降低。当电机转速较低时,电机径向振动加速度级的变化取决于非零阶力波的总体变化趋势,而侧向振动的变化则与转矩波动频谱的改变以及电机的安装条件有关。转矩波动和零阶径向力波均和磁场的周期性变化相关,并且对二者产生贡献的气隙磁密谐波是完全相同的。整数槽电机气隙磁密齿谐波对转矩波动和零阶径向力波的贡献最大,因而可以通过削弱齿谐波来同时对这两种力波进行抑制,并降低相应的振动噪声。研究了非零最小力波阶数相同时的极槽配合和绕组结构对永磁同步电机径向振动的影响。采用理论和有限元法分析了电机径向振动频谱中重要谐波分量的影响因素,发现绕组磁势齿谐波对电机的振动具有重要影响,并且由齿谐波参与形成的径向力波和切向力波所引起的振动存在叠加或抵消效应。以这个规律为基础,进一步研究极槽配合和绕组结构的影响。研究结果表明,当极数相同时,整数槽电机的槽数越多就越容易激发低阶圆周模态,引起电机共振。分数槽电机则不存在这个特点。当槽数相同时,极数等于槽数减2的电机的振动通常比极数等于槽数加2的电机要大。当非零最小力波阶数相同时,极数越大则电机的振动幅值一般也会越高。由于相数和层数的增加并不能有效减小绕组磁势齿谐波,因而通常对电机的径向振动没有实质的改进,只有单层绕组变为双层的少数情况属于例外。
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