永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)與噪聲的分析.pdf

1、隨著社會(huì)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，人們?cè)絹?lái)越關(guān)心工作和居住環(huán)境中的振動(dòng)噪聲污染問(wèn)題。在工業(yè)設(shè)備和家用產(chǎn)品中，永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)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(jī)在提供動(dòng)力的同時(shí)，也在環(huán)境中產(chǎn)生了大量的、引人關(guān)注的振動(dòng)噪聲污染。因此，研究永磁電機(jī)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題對(duì)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(jī)可以提高電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，從而增加企業(yè)利潤(rùn)。

2、>　　對(duì)于常見(jiàn)的中、小型永磁有刷直流電機(jī)，其絕大部分振動(dòng)噪聲都屬于電磁振動(dòng)噪聲。永磁電機(jī)的電磁振動(dòng)與噪聲是一個(gè)多物理場(chǎng)問(wèn)題，涉及電機(jī)電磁場(chǎng)、電機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)特性、電機(jī)結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)和電機(jī)輻射聲場(chǎng)。在這個(gè)多物理場(chǎng)中，電機(jī)電磁場(chǎng)與電機(jī)結(jié)構(gòu)受迫振動(dòng)是弱耦合關(guān)系，電機(jī)結(jié)構(gòu)的受迫振動(dòng)直接決定了電機(jī)輻射聲場(chǎng)。
　　為全面深入研究上述多物理場(chǎng)，本文建立了描述永磁有刷直流電機(jī)的磁場(chǎng)和電磁力的解析模型，把描述電機(jī)電磁振動(dòng)的解析模型從二維平面擴(kuò)展到三維空間

3、，并首次建立了可精確計(jì)算電機(jī)磁場(chǎng)、電磁力、電機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)、電機(jī)電磁振動(dòng)和電機(jī)輻射聲壓級(jí)的數(shù)值模型。
　　基于二維電磁場(chǎng)理論，在極坐標(biāo)中推導(dǎo)了電機(jī)的徑向氣隙磁通量密度的解析表達(dá)式。基于推導(dǎo)出的電機(jī)徑向氣隙磁場(chǎng)，使用麥克斯韋爾應(yīng)力張量法計(jì)算了電機(jī)徑向電磁力；對(duì)于切向電磁力，通過(guò)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(yàn)證電機(jī)磁場(chǎng)和電磁力的解析模型，同時(shí)考慮磁場(chǎng)飽和、電流換向等非線性因素的影響，精確地建立了電機(jī)的

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

5、方程基礎(chǔ)上推導(dǎo)了電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)方程和受迫響應(yīng)方程，這些方程可快速估算電機(jī)定子的固有頻率、模態(tài)振型和瞬態(tài)電磁振動(dòng)，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(zhǔn)確計(jì)算永磁有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)和電磁振動(dòng)，建立了高精度的電機(jī)全尺寸三維有限元結(jié)構(gòu)模型，有限元模型計(jì)算出的電機(jī)模態(tài)振型和固有頻率與測(cè)量出的模態(tài)參數(shù)完全吻合。通過(guò)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(diǎn)上，用模態(tài)疊加法計(jì)算了永磁電機(jī)的瞬態(tài)電磁振

6、動(dòng)。對(duì)比電機(jī)加速度的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果后可知，電機(jī)電磁振動(dòng)的計(jì)算精度足以滿足實(shí)際工程需求。
　　為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)永磁有刷直流電機(jī)的電磁噪聲，同時(shí)研究電磁振動(dòng)對(duì)噪聲分布的影響，建立了計(jì)算電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)定義場(chǎng)點(diǎn)面后，邊界元聲學(xué)模型準(zhǔn)確計(jì)算了電機(jī)的輻射聲壓，模型的計(jì)算結(jié)果與半消聲室的測(cè)量結(jié)果高度吻合。研究表明，當(dāng)電機(jī)噪聲頻率低于電機(jī)固有頻率時(shí)，控制電磁振動(dòng)與噪聲的因素是電機(jī)電磁力；當(dāng)

7、電機(jī)噪聲頻率分布在固有頻率范圍內(nèi)時(shí)，控制電磁振動(dòng)與噪聲的因素是電機(jī)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(jī)的電磁力、電磁振動(dòng)和電機(jī)噪聲。研究表明：轉(zhuǎn)子靜偏心加劇了永磁電機(jī)的電磁振動(dòng)和噪聲，電機(jī)振動(dòng)主要集中低于電機(jī)固有頻率的頻率范圍內(nèi)；與正常永磁電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子偏心易在電機(jī)固有頻率范圍內(nèi)的增加輻射聲壓級(jí)。除了轉(zhuǎn)子偏心，還發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂膠的厚度可導(dǎo)致永磁有刷電機(jī)出現(xiàn)噪聲分布不均勻的現(xiàn)象