充磁方式对永磁无刷直流电机激振力波的影响

2017-04-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

樊晓波, 胡利民

(中国船舶重工集团公司第705研究所昆明分部, 云南昆明, 650106)

摘要: 为降低水下航行器用永磁无刷直流电机(PM BLDCM)的振动与噪声影响, 针对PM BLDCM在不同充磁方式下电磁激振力波存在差别的问题, 建立了PM BLDCM的有限元分析模型, 分别在空载和负载条件下, 对比分析了径向和平行2种充磁方式下气隙磁密的分布特点。基于Maxwell应力张量法计算电磁力, 完成了空载和负载条件下电机径向电磁激振力波的仿真, 对比了2种充磁方式对径向电磁力波的影响, 得到了其分布特点。研究结果表明, 空载和负载条件下, 电磁激振力波存在较大差异, 为确定充磁方式对电磁激振力波的影响, 需要在负载情况下完成分析; 与平行充磁相比较, 负载时径向充磁方式下, 主要频率的幅值均有所增大, 而其余频率的幅值有所降低。

关键词: 水下航行器; 永磁无刷直流电机; 充磁方式; 平行; 径向; 气隙磁密; 电磁激振力波

0 引言

永磁无刷直流电机(permanent magnet brushless DC motors, PM BLDCM)因其高效、高功率密度、高可靠性的特点, 已经广泛应用于水下航行器中。随着水下航行器声隐身性能要求的不断提高, 对PM BLDCM的振动和噪声提出了更高的要求。电机的振动噪声主要有电磁噪声、机械噪声和空气动力学噪声, 其中, 电磁振动和噪声主要是由电机内部的径向电磁力波引起[1]。而PM BLDCM中所采用表贴式永磁体一般为径向充磁或平行充磁的方式[2], 平行充磁加工工艺简单、成本低, 径向充磁磁钢加工相对复杂, 近年来才得到发展。因此, 开展充磁方式对PM BLDCM电磁激振力波影响的研究具有重要意义。

国内外许多学者对电机电磁噪声的产生机理和影响因素进行了比较深入的研究。陈永校[1]等对异步电机、同步电机和直流电机噪声产生的机理、测试进行了详细的论述, 结合定子的固有频率和结构特点, 提出了降低噪声的措施和方法。T. Kobayashi[3]等使用有限元方法分析了异步电机齿槽组合对电磁振动和噪声的影响。D. Torrengrossa[4]等建立了计算电机电磁场、电机结构和噪声分析的有限元模型, 研究了转子斜槽对PM BLDCM的电磁振动和噪声的影响。

在PM BLDCM中, 永磁体充磁方式对电机性能有较大影响。朱德明[5]等基于有限元方法对比分析了径向和平行2种充磁方式下电机磁密的分布特点, 给出了最佳磁钢厚度的取值范围。沈建新[6]等在研究中得出了在使用表面粘贴磁瓦时平行充磁优于径向充磁的结论。李延升[7]等分析对比了径向、平行和Halbach 3种充磁方式时永磁电机气隙磁场的分布特点。张冉[8]等虽然尝试建立了径向和平行2种充磁方式下永磁电机的解析模型, 但是仅研究了空载激振力波, 即忽略了定子电流的影响。而实际中电流谐波与电磁振动的大小直接相关, 需要进行研究。

为此, 文中建立了PM BLDCM的有限元分析模型, 对比分析了径向和平行2种充磁方式下气隙磁密的分布特点。基于Maxwell应力张量法计算电磁力, 分别完成了空载和负载条件下电机径向电磁力波的研究。同时对比了2种充磁方式对径向电磁力波的影响。

1 有限元模型建立

2 PM BLDCM有限元磁场分析

3 空载时充磁方式对径向电磁力波的影响

4 负载时充磁方式对径向电磁力波的影响

(以上内容详见《鱼雷技术》2016-6期P444~449)

5 结论

文中基于有限元分析方法, 研究了不同充磁方式对电机径向电磁力波影响, 得到如下结论。

1) 采用平行充磁的内转子永磁电机有更大的气隙磁密, 更接近于正弦分布, 而径向充磁的径向气隙磁场接近梯形分布。

2) 极对数为p、以电机机械旋转频率为基频时, 时间谐波阶次和空间模数均集中在2np (n=1,2,3…), 且同一时间频率的谐波会出现在不同空间模数的频谱中。

3) 空载时, 除个别频率外, 径向充磁方式下, 频谱幅值均有所增大。

4) 与空载相比较, 负载时低阶空间模数频谱中, 各谐波幅值均有大幅提高, 而高阶空间模数频谱中谐波幅值变化不显著。故空载下电磁力波不能完全反映出电机负载工作时的振动激励情况, 需要进行负载下的电磁力波分析。

5) 负载时径向充磁方式下, 主要频率的幅值均有所增大, 而其余频率的幅值有所降低。对于主要频谱主导的振动而言, 径向充磁方式的电机具有更大的激励力, 而其余振动频谱主导的振动而言, 平行充磁方式的电机具有更大的电磁振动激励力。

参考文献:

[1] 陈永校. 电机噪声的分析与控制[M]. 杭州: 浙江大学出版社, 1987.

[2] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 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, 严仰光. 表贴式永磁电机的两种充磁方式[J]. 南京航天航空大学学报, 2006, 38(3): 304-308.

[6] 沈建新, 费伟中, 陈利根. 气隙磁场波形及磁瓦充磁方式对无刷直流性能的影响[J]. 微特电机, 2006, 34(6): 7-9.

[7] 李延升, 窦满峰, 赵冬冬. 磁钢充磁方式对表贴式永磁电机磁场影响分析[J]. 电机与控制学报, 2011, 15(12): 26-31.

[8] 张冉, 王秀和, 乔东伟. 极弧系数选择对永磁无刷直流电机激振力波的影响[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(21): 79-85.

[9] 汤蕴缪. 电机内的电磁场[M]. 第2版. 北京: 科学出版社, 1998.

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