搜索充磁方式對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)激振力波的影響
2017-04-25 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
充磁方式對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)激振力波的影響
樊曉波, 胡利民
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650106)
摘 要: 為降低水下航行器用永磁無(wú)刷直流電機(jī)(PM BLDCM)的振動(dòng)與噪聲影響, 針對(duì)PM BLDCM在不同充磁方式下電磁激振力波存在差別的問(wèn)題, 建立了PM BLDCM的有限元分析模型, 分別在空載和負(fù)載條件下, 對(duì)比分析了徑向和平行2種充磁方式下氣隙磁密的分布特點(diǎn)?；贛axwell應(yīng)力張量法計(jì)算電磁力, 完成了空載和負(fù)載條件下電機(jī)徑向電磁激振力波的仿真, 對(duì)比了2種充磁方式對(duì)徑向電磁力波的影響, 得到了其分布特點(diǎn)。研究結(jié)果表明, 空載和負(fù)載條件下, 電磁激振力波存在較大差異, 為確定充磁方式對(duì)電磁激振力波的影響, 需要在負(fù)載情況下完成分析; 與平行充磁相比較, 負(fù)載時(shí)徑向充磁方式下, 主要頻率的幅值均有所增大, 而其余頻率的幅值有所降低。
關(guān)鍵詞: 水下航行器; 永磁無(wú)刷直流電機(jī); 充磁方式; 平行; 徑向; 氣隙磁密; 電磁激振力波
0 引言
永磁無(wú)刷直流電機(jī)(permanent magnet brushless DC motors, PM BLDCM)因其高效、高功率密度、高可靠性的特點(diǎn), 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水下航行器中。隨著水下航行器聲隱身性能要求的不斷提高, 對(duì)PM BLDCM的振動(dòng)和噪聲提出了更高的要求。電機(jī)的振動(dòng)噪聲主要有電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)噪聲, 其中, 電磁振動(dòng)和噪聲主要是由電機(jī)內(nèi)部的徑向電磁力波引起[1]。而PM BLDCM中所采用表貼式永磁體一般為徑向充磁或平行充磁的方式[2], 平行充磁加工工藝簡(jiǎn)單、成本低, 徑向充磁磁鋼加工相對(duì)復(fù)雜, 近年來(lái)才得到發(fā)展。因此, 開(kāi)展充磁方式對(duì)PM BLDCM電磁激振力波影響的研究具有重要意義。
國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)電機(jī)電磁噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素進(jìn)行了比較深入的研究。陳永校[1]等對(duì)異步電機(jī)、同步電機(jī)和直流電機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理、測(cè)試進(jìn)行了詳細(xì)的論述, 結(jié)合定子的固有頻率和結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 提出了降低噪聲的措施和方法。T. Kobayashi[3]等使用有限元方法分析了異步電機(jī)齒槽組合對(duì)電磁振動(dòng)和噪聲的影響。D. Torrengrossa[4]等建立了計(jì)算電機(jī)電磁場(chǎng)、電機(jī)結(jié)構(gòu)和噪聲分析的有限元模型, 研究了轉(zhuǎn)子斜槽對(duì)PM BLDCM的電磁振動(dòng)和噪聲的影響。
在PM BLDCM中, 永磁體充磁方式對(duì)電機(jī)性能有較大影響。朱德明[5]等基于有限元方法對(duì)比分析了徑向和平行2種充磁方式下電機(jī)磁密的分布特點(diǎn), 給出了最佳磁鋼厚度的取值范圍。沈建新[6]等在研究中得出了在使用表面粘貼磁瓦時(shí)平行充磁優(yōu)于徑向充磁的結(jié)論。李延升[7]等分析對(duì)比了徑向、平行和Halbach 3種充磁方式時(shí)永磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)。張冉[8]等雖然嘗試建立了徑向和平行2種充磁方式下永磁電機(jī)的解析模型, 但是僅研究了空載激振力波, 即忽略了定子電流的影響。而實(shí)際中電流諧波與電磁振動(dòng)的大小直接相關(guān), 需要進(jìn)行研究。
為此, 文中建立了PM BLDCM的有限元分析模型, 對(duì)比分析了徑向和平行2種充磁方式下氣隙磁密的分布特點(diǎn)?；贛axwell應(yīng)力張量法計(jì)算電磁力, 分別完成了空載和負(fù)載條件下電機(jī)徑向電磁力波的研究。同時(shí)對(duì)比了2種充磁方式對(duì)徑向電磁力波的影響。
1 有限元模型建立
2 PM BLDCM有限元磁場(chǎng)分析
3 空載時(shí)充磁方式對(duì)徑向電磁力波的影響
4 負(fù)載時(shí)充磁方式對(duì)徑向電磁力波的影響
(以上內(nèi)容詳見(jiàn)《魚(yú)雷技術(shù)》2016-6期P444~449)
5 結(jié) 論
文中基于有限元分析方法, 研究了不同充磁方式對(duì)電機(jī)徑向電磁力波影響, 得到如下結(jié)論。
1) 采用平行充磁的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)有更大的氣隙磁密, 更接近于正弦分布, 而徑向充磁的徑向氣隙磁場(chǎng)接近梯形分布。
2) 極對(duì)數(shù)為p、以電機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)頻率為基頻時(shí), 時(shí)間諧波階次和空間模數(shù)均集中在2np (n=1,2,3…), 且同一時(shí)間頻率的諧波會(huì)出現(xiàn)在不同空間模數(shù)的頻譜中。
3) 空載時(shí), 除個(gè)別頻率外, 徑向充磁方式下, 頻譜幅值均有所增大。
4) 與空載相比較, 負(fù)載時(shí)低階空間模數(shù)頻譜中, 各諧波幅值均有大幅提高, 而高階空間模數(shù)頻譜中諧波幅值變化不顯著。故空載下電磁力波不能完全反映出電機(jī)負(fù)載工作時(shí)的振動(dòng)激勵(lì)情況, 需要進(jìn)行負(fù)載下的電磁力波分析。
5) 負(fù)載時(shí)徑向充磁方式下, 主要頻率的幅值均有所增大, 而其余頻率的幅值有所降低。對(duì)于主要頻譜主導(dǎo)的振動(dòng)而言, 徑向充磁方式的電機(jī)具有更大的激勵(lì)力, 而其余振動(dòng)頻譜主導(dǎo)的振動(dòng)而言, 平行充磁方式的電機(jī)具有更大的電磁振動(dòng)激勵(lì)力。
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