永磁同步电机噪声分析及优化

张洪涛

(大庆炼化公司,黑龙江大庆 163711)

0 引言

永磁同步电机采用永磁体产生磁场,使转子旋转,与传统电机相比,重量可减少20%以上,具有高效率、节能特点,在电动汽车、压缩机等工业领域广泛使用,随着对产品品质要求提高,电机的噪声问题越来越引起市场和学者门的关注,同时,振动噪声对电机长期可靠运行造成影响,过高噪声也是能量的浪费,因此,需要建立计算模型,分析电机结构与噪声关系,研究减低噪声方法。

1 噪声研究现状

永磁同步电机噪声主要有机械振动噪声、空气摩擦噪声和电磁振动噪声。目前,国内外降低噪声方法主要有三方面:第一是从电机零部件设计、装配工艺方面改进。第二是从电机控制策略方面,减少谐波电流,抑制转矩脉动。第三是从电机气隙、永磁体等电机结构方面,优化参数,从根本上降低噪声[1]。

相比较三种方法,第三种可以从设计源头减低噪声。有学者研究发现优化转子的结构对电机振动的噪声以及电磁性能产生的影响,对电机振动噪声和电机电磁性能等进行仿真模拟计算分析,结果显示,当电磁力谐波在较大的频率点时相应的振动也产生了比较大的加速度,致使电磁产生了较大的噪声。而转子结构进行优化以后则改变了其原有的电磁路的方向,使径向的电磁力减小,进而使电机电磁振动所产生的噪声变小,使转矩脉动降低的同时保证输出转矩不变[2]。因此,本文以4极永磁同步电机为研究对象,研究噪声产生主要原因,并优化电机结构。

2 电磁仿真分析

电机为4极6槽结构,额定电流2.9A,额定转矩1.94Nm,采用内置式转子结构,由于电机结构对称性,只需画出1/4电机模型。

气隙磁阻、永磁体磁阻计算如下,见式(1)、式(2),其中,ge、gA分别为气隙长度、气隙磁通面积,hum、Am分别为永磁体厚度、永磁体磁通面积。

(1)

(2)

采用Maxwell软件进行仿真,结果如图1所示,磁路有三部分,第一部分是永磁体流经气隙最后进入定子冲片,第二部分是转子轭部绕过隔磁桥进入永磁体内,第三部分是永磁体端部磁路。从图中可以看出,电机磁场沿着最小磁阻路径行走。

图1 磁力线分布

由于气隙电磁力作用,导致定子发生振动变形,在不计变频装置产生噪声不利影响,电机正常工作状态下,气隙电磁力是电磁振动主要因素。将气隙分解为径向和切向磁密,计算结果如图2、图3所示。

图2 径向磁密

图3 切向磁密

从图中可以得出,径向气隙磁密远大于切向,两种磁密都成周期性变化,且周期相同。因此,气隙电磁力只需考虑径向磁密,对径向气隙磁密做傅里叶变化,得出谐波分析图,可以发现,奇数倍谐波较大,偶数倍谐波较小,且杂波多。利用Matlab软件计算径向电磁力结果,发现12次之后谐波较小,可以不计。因此噪声主要是低阶谐波引起的。

2.1 定子槽口宽度分析

磁路磁力线通过气隙达到定子齿部,磁场使定子发生振动并产生变形,致使齿槽转矩产生转矩脉动。定子槽口如图4所示。

图4 槽口

槽宽度缩小因子的计算公式见式(3)。

(3)

槽口间的宽度变大使气隙磁阻也相应增大,以至气隙系数随之增加,而定子的绕组磁场和气隙系数成反比值。在永磁电机的结构中,电机的电磁噪音主要受电机的定子槽口的宽度影响,定子槽口的宽度调整起来相对简单,以下是对永磁电机槽口的宽度的研究。

对槽口的宽度进行模拟电机建立;宽度分别为 3mm、4mm、5mm、6mm ,并计算出电机气隙径向磁密,不同的槽口宽度伴随其位置的改变与径向气隙磁密之间的关系图,如图5所示。

图5 槽口宽度与气隙磁密关系

为了验证气隙磁密会被定子槽口的宽度变化影响从而减弱其效果,将解出的气隙磁密通过傅里叶计算算出谐波。如图6所示,气隙磁密的谐波幅值随着定子槽口宽度的增大而降低,相应的谐波幅值的总值增大。只有6 次的谐波幅值基本没有变化,4次、8次、10次、14 次谐波幅值则根据定子槽口的宽度加大而发生谐波幅值的增加。

图6 槽口宽度与气隙磁密谐波幅值关系

其原理为气隙磁场的磁阻受定子槽口的宽度影响从而改变,使气隙磁密发生改变。为了减弱谐波幅值、让齿槽转矩减小,可以相应缩小定子槽口尺寸,这样同时也能增加输出转矩,提高永磁电机的性能。

2.2 气隙长度分析

电机内部结构中,对气隙影响较大因素不仅有气隙尺寸因素,而且还有磁导率相差较大原因。硅钢片和空气的磁导率差别直接影响着气隙磁阻,且磁阻会导致磁通密度和磁力线分布大幅度变化。除以上因素外,永磁同步电机的永磁体端部在漏磁,致使漏磁系数随之产生变动,总之,气隙影响因素径多,且复杂。

为比较不同气隙长度气隙磁密变化,对电机做对比模拟仿真,气隙长度从0.6mm到0.75mm,间隔0.05mm建立模型,仿真结果如图7所示,从图中可以看出,气隙磁密呈现周期变化,0.65mm变动幅值范围最大,0.8mm变动幅值范围最小。图8为不同气隙长度下磁密谐波幅值大小,可以看出,气隙结构长度逐渐变大,基波便会逐渐变小;10次谐波情况下,气隙结构长度变化时,谐波幅值基本不变,其余谐波情况下,谐波幅值减少比较明显。

图7 气隙磁密变化

图8 气隙磁密谐波幅值

通过以上分析,不难发现,气隙长度微小变化也可以对电机电磁性能产生较大影响。因此,应该综合考虑工艺加工难度、电机电磁性能等,设计合理的气隙长度。

3 结构优化

3.1 气隙方面优化

转子与定子表面间气隙结构有两种,一种是均匀的,一种是非均匀的。均匀的气隙结构加工简单,但径向电磁力变化幅值较大,可能导致永磁同步电机转矩脉动过大,不均匀的气隙结构可以很好解决这一问题,但过低的气隙会导致电机转子转动时与定子发生刮擦,较大的气隙长度会影响电机转矩输出,导致电机功率下降。因此需要对电机气隙进行计算,最大气隙长度gemax公式见式(4)、气隙函数见式(5)。

(4)

ge(θ)=

(5)

通过以上公式,可得出最大气隙长度值组,将向气隙磁密进行傅里叶分解,分析各阶次谐波下,气隙次幂谐波幅值变化规律,见图9;输出转矩仿真结果如图10所示。从图9、图10可以看出,1.5mm气隙值时,气隙次幂谐波幅值在各个谐波次数下最低,而且输出转矩在1.5mm出现拐点,0.7mm至1.5mm之间输出转矩基本不变,大约1.5mm输出转矩急剧减小。因此,在考虑噪声和电机性能两方面情况下,优先选择1.5mm电机气隙。

图9 气隙次幂谐波变化

图10 输出转矩变化

3.2 永磁体方面优化

永磁体的尺寸包括三个方面:磁化方向的长度、宽度和轴向长度,模型的设计中,磁体工艺、工作性能等因素都会影响永磁体的尺寸,保持永磁体的长度、面积不变,改变永磁体的尺寸结构,对原始、双弧型、外弧型、内弧型四种磁体结构研究分析。对气隙磁密曲线的正弦性进行优化,以此来减小谐波幅值,从而达到降低电磁振动的结果。应用有限元法,对原始、双弧型、外弧型、内弧型四种磁体结构进行建立模型,并对其进行比较分析,永磁体形态的变化,使气隙磁场也发生相应改变,图11为磁密曲线对比图,通过曲线对比的发现,其中在采用双弧型、外弧型、内弧型三种结构时,气隙径向磁密曲线值会变小,正弦性改善明显。其中三种弧形中的双弧型结构的效果更好,更优化。

图11 磁密曲线对比图

4 结语

本文以4极永磁同步电机为例,对噪声研究现状进行了调查,通过电磁仿真分析,得出噪声产生主要原因是低阶谐波下的气隙电磁力,对比分析定子槽口宽度、气隙长度对气隙和输出转矩的影响规律,最终从气隙和永磁体参数两个方面进行优化,获得在保证电机性能前提下,抑制噪声方法。