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永磁同步电机电磁振动分析

杨浩东  
【摘要】:永磁同步电机定转子之间存在较强的电磁吸引力,电磁吸引力的切向分量产生电磁转矩,而径向分量会引起定子变形,当电机转子旋转时,能够引起电机定子的机械振动。在中小型电机当中,电磁力是引起电机机械振动的主要根源之一。本文将主要针对由于电磁力引起的电机机械振动的相关问题展开研究,主要研究内容如下: 1.利用Ansys下参数化建模语言,建立了永磁同步电机的电磁和结构弱耦合的有限元模型,在求解过程中只需要输入电机的相关结构参数和负载条件,程序能够自动完成电机电磁力求解,并把每一步下的电磁力耦合到结构有限元分析模型中,利用结构瞬态分析方法,求得电机定子上任意一点的振动情况。本文针对一台12槽8极样机,对比了仿真和实验得到的反电势和振动频谱,结果能够很好的吻合。本文也利用结构分析模型,研究了不同模数的电磁力波对电机定子振动的影响。定子的模态频率是电机结构设计的重要参数之一,因此文中也建立了电机定子的模态分析模型,对定子的不同结构参数对模态频率的影响进行了研究,并对模态仿真和实验结果进行了分析对比。 2.电机内部电磁力的模数越小,引起的振动就越大。本文分析和推导了不同齿槽配合下的永磁同步电机,其径向电磁力的模数和频率的表达式,并给出了不同绕组配置时电磁力的最小模数。对工程上常用的十种齿槽配合的永磁同步电机,进行了电磁和结构有限元仿真,验证了电磁力的模数和频率的表达式,同时也通过对这十种不同齿槽配合电机的电磁振动的分析和研究,发现具有较低模数的电磁力谐波的电机,其电磁振动较大。 3.以12槽8极内嵌式转子永磁同步电机为例,研究了定转子设计参数对电机转矩波动以及主要径向电磁力谐波的影响,设计参数包括极弧角度、磁极偏心距、槽口宽度、槽肩高以及隔磁桥宽度等。增大极弧角度有利于减小转矩波动和电磁力谐波的大小;增大磁极偏心距对于降低转矩波动最为有效,但同时会使得2倍电频率下模数为8的电磁力波大幅增加,而对模数4的电磁力波的影响与极弧角度相关;减小槽口宽度对于降低转矩波动和模数较低的电磁力谐波非常有效;增加槽肩高,转矩波动和模数为8的电磁力波幅度都会增加,而模数为4的电磁力波会变小;增加隔磁桥宽度可以在一定程度上降低转矩波动和两个主要电磁力谐波的幅度,但会使得电机的漏磁增加、输出转矩下降。 4.分析和对比了永磁同步电机工作于方波和正弦波两种模式下的电磁振动。方波控制方式下电枢电流包含丰富的电流谐波,这些电流谐波会引起电机电磁力波的加强,从而导致方波控制方式下的振动变大。文中推导了不同次数的电流谐波产生的电磁力波的模数和频率,并采用在正弦波控制方式下注入谐波电流的方法,研究了方波控制方式下谐波电流对电机振动的影响。 5.由于分数槽永磁同步电机中存在低模数的电磁力谐波,其振动水平一般比整数槽电机的大。针对分数槽永磁同步电机,本文提出了通过在定子注入补偿电流来抵消电机中最小模数的电磁力谐波,从而抑制电机的电磁振动。针对2倍电频率下的振动,文中对一台12槽8极、一台24槽8极和一台12槽10极永磁同步电机通过二维电磁和结构有限元仿真,分析了三台电机的电磁力分布和在有无补偿情况下电机的电磁振动,证明了对分数槽绕组电机采用该方法能够有效抑制电机振动,而整数槽电机则不能。最后对12槽8极原理样机进行了振动实验,验证了所提出方法的抑制振动的效果。此外,文中也针对4倍电频率下的振动,提出通过在绕组中注入5次电流谐波,控制该谐波的相位可以起到抑制4倍电频率下振动的目的,并通过实验进行了验证。


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