永磁有刷直流電動機電磁振動與噪聲的分析.pdf

1、隨著社會的發(fā)展和環(huán)境保護意識的提高，人們越來越關(guān)心工作和居住環(huán)境中的振動噪聲污染問題。在工業(yè)設(shè)備和家用產(chǎn)品中，永磁有刷直流電動機因其結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉和能量轉(zhuǎn)化效率較高而被人們廣泛應(yīng)用。這些被廣泛使用的永磁電機在提供動力的同時，也在環(huán)境中產(chǎn)生了大量的、引人關(guān)注的振動噪聲污染。因此，研究永磁電機的振動和噪聲問題對提高人體舒適度，減少環(huán)境污染有重要意義。更重要的是，高品質(zhì)的低噪聲電機可以提高電機生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品競爭力，從而增加企業(yè)利潤。

2、>　　對于常見的中、小型永磁有刷直流電機，其絕大部分振動噪聲都屬于電磁振動噪聲。永磁電機的電磁振動與噪聲是一個多物理場問題，涉及電機電磁場、電機結(jié)構(gòu)模態(tài)特性、電機結(jié)構(gòu)受迫振動和電機輻射聲場。在這個多物理場中，電機電磁場與電機結(jié)構(gòu)受迫振動是弱耦合關(guān)系，電機結(jié)構(gòu)的受迫振動直接決定了電機輻射聲場。
　　為全面深入研究上述多物理場，本文建立了描述永磁有刷直流電機的磁場和電磁力的解析模型，把描述電機電磁振動的解析模型從二維平面擴展到三維空間

3、，并首次建立了可精確計算電機磁場、電磁力、電機結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)、電機電磁振動和電機輻射聲壓級的數(shù)值模型。
　　基于二維電磁場理論，在極坐標中推導(dǎo)了電機的徑向氣隙磁通量密度的解析表達式。基于推導(dǎo)出的電機徑向氣隙磁場，使用麥克斯韋爾應(yīng)力張量法計算了電機徑向電磁力；對于切向電磁力，通過分析齒槽轉(zhuǎn)矩，間接地建立了切向電磁力的解析模型。
　　為驗證電機磁場和電磁力的解析模型，同時考慮磁場飽和、電流換向等非線性因素的影響，精確地建立了電機的

4、二維磁場有限元模型。有限元模型在時域和頻域準確計算電機氣隙磁場和電機電磁力。除了推導(dǎo)理論模型和建立有限元模型，還測量了永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，理論和有限元模型推導(dǎo)計算出的齒槽轉(zhuǎn)矩與實際測量結(jié)果高度吻合。研究發(fā)現(xiàn)：電磁力的頻率為電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子齒數(shù)乘積的整數(shù)倍，電機電磁力主要作用在永磁體內(nèi)表面上。
　　永磁電機結(jié)構(gòu)在時變電磁力激勵下振動，因此電機結(jié)構(gòu)本身也控制著電機電磁振動和噪聲行為?；跉んw振動理論（兩端簡支薄壁殼），在Reissner

5、方程基礎(chǔ)上推導(dǎo)了電機定子結(jié)構(gòu)的自由振動方程和受迫響應(yīng)方程，這些方程可快速估算電機定子的固有頻率、模態(tài)振型和瞬態(tài)電磁振動，也首次解釋了電磁力波階數(shù)與定子模態(tài)振型之間的關(guān)系。
　　為準確計算永磁有刷直流電機的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)和電磁振動，建立了高精度的電機全尺寸三維有限元結(jié)構(gòu)模型，有限元模型計算出的電機模態(tài)振型和固有頻率與測量出的模態(tài)參數(shù)完全吻合。通過把電磁力加載在結(jié)構(gòu)有限元模型中的永磁體和轉(zhuǎn)子節(jié)點上，用模態(tài)疊加法計算了永磁電機的瞬態(tài)電磁振

6、動。對比電機加速度的仿真結(jié)果和測量結(jié)果后可知，電機電磁振動的計算精度足以滿足實際工程需求。
　　為準確預(yù)測永磁有刷直流電機的電磁噪聲，同時研究電磁振動對噪聲分布的影響，建立了計算電機輻射噪聲的三維邊界元模型。在模型外表面加載速度邊界條件和依照ISO標準定義場點面后，邊界元聲學(xué)模型準確計算了電機的輻射聲壓，模型的計算結(jié)果與半消聲室的測量結(jié)果高度吻合。研究表明，當電機噪聲頻率低于電機固有頻率時，控制電磁振動與噪聲的因素是電機電磁力；當

7、電機噪聲頻率分布在固有頻率范圍內(nèi)時，控制電磁振動與噪聲的因素是電機結(jié)構(gòu)的共振。
　　在高精度的有限元模型和邊界元模型的幫助下，深入研究了有偏心轉(zhuǎn)子的永磁有刷電機的電磁力、電磁振動和電機噪聲。研究表明：轉(zhuǎn)子靜偏心加劇了永磁電機的電磁振動和噪聲，電機振動主要集中低于電機固有頻率的頻率范圍內(nèi)；與正常永磁電機相比，轉(zhuǎn)子偏心易在電機固有頻率范圍內(nèi)的增加輻射聲壓級。除了轉(zhuǎn)子偏心，還發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂膠的厚度可導(dǎo)致永磁有刷電機出現(xiàn)噪聲分布不均勻的現(xiàn)象