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01

根據(jù)聲輻射原理，永磁直流電機只有定子符合聲輻射元件的要求，即薄壁大平面的條件，所以永磁直流電機定子為主要的聲輻射元件，無論是轉(zhuǎn)子還是定子中的電磁力都需要通過定子來輻射電磁噪聲。

產(chǎn)生振動噪聲需要激振力和相應(yīng)的應(yīng)變，對于圓筒永磁直流電機，存在定子電磁徑向力和切向力兩種電磁激振力，由于在固有頻率上的振動噪聲響應(yīng)最大，所以是否有相應(yīng)方向上的應(yīng)變響應(yīng)還需要對定子本身結(jié)構(gòu)特性進行模態(tài)分析。

在進行模態(tài)分析前首先介紹模態(tài)分析即固有頻率階次的定義，以區(qū)別電磁激振力中的階次，模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動特性，線性系統(tǒng)的自由振動被解耦合為 N 個正交的單自由度振動系統(tǒng)，對應(yīng)系統(tǒng)的 N 個模態(tài)。將線性系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標變換為模態(tài)坐標，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標變換的矩陣為模態(tài)矩陣，有限元模態(tài)分析的本質(zhì)是求該矩陣的特征值問題，所以階數(shù)就是指特征值的個數(shù)，將特征值從小到大排列就是階次。

由于實際的電機定子有無數(shù)個階次，其模態(tài)也是無數(shù)個，但對振動噪聲響應(yīng)較大的主要是前幾階的模態(tài)。

圓方一階振動模態(tài)表明圓方永磁電機電磁徑向力會產(chǎn)生相應(yīng)方向的應(yīng)力和應(yīng)變，從而產(chǎn)生相應(yīng)的振動和噪聲。與圓筒電機不同的是，圓方永磁直流電機電磁切向力也會在圓方鐵殼上施加相應(yīng)方向的應(yīng)力，在此應(yīng)力的作用下可能產(chǎn)生相應(yīng)方向的應(yīng)變，從而產(chǎn)生相應(yīng)的振動和噪聲。

綜上所述，對于圓筒永磁直流電機，存在電磁徑向力和切向力，且模態(tài)響應(yīng)在徑向力的方向占主要成分，對于圓方永磁直流電機，在電磁徑向力和切向力方向均存在相應(yīng)方向的模態(tài)階次，所以電磁徑向力和切向力共同產(chǎn)生了電機的噪聲。但是以上分析只能定性的對電機的噪聲根源進行預(yù)測，如果定量及確定電機的噪聲根源尚需進一步詳細的理論、有限元及實驗研究。

02

依次經(jīng)過以下各步驟進行仿真分析：

• 電機定子電磁徑向力和切向力分析

• 不考慮齒槽效應(yīng)的氣隙磁密

• 考慮齒槽影響的氣隙磁密及電磁力

• 考慮齒槽影響的氣隙磁密徑向分量及切向分量

• 考慮電樞反應(yīng)的氣隙磁密及電磁力

• 電磁徑切向力密度及其分量分析

• 圓方電機振動波和聲輻射

• 圓方電機定子電磁力噪聲仿真分析

• 定子電磁力有限元分析

• 電磁振動諧響應(yīng)分析

• 圓方永磁電機一階振動模態(tài)有限元分析

• 圓方永磁電機二階振動模態(tài)有限元分析

• 電磁聲輻射有限元分析

 由模態(tài)分析可知，電機的第一階固有頻率(5303Hz)，第二階固有頻率(6186Hz)。由理論、模態(tài)和電磁力有限元分析結(jié)果可知，42 階電磁徑向力可能是產(chǎn)生一階噪聲的主要根源，56 階電磁切向力可能是產(chǎn)生二階噪聲的主要根源，為進一步驗證該結(jié)論，分別將電磁力有限元仿真得到的 42 和 56 階電磁徑切向力施加到第一、二階固有頻率上，進行仿真分析。 

03

      雖然已經(jīng)對定子電磁力與噪聲的關(guān)系進行了系統(tǒng)研究，但為了進一步分析電機噪聲與電磁力之間的關(guān)系，必須對轉(zhuǎn)子電磁力與噪聲的關(guān)系進行理論、仿真及實驗研究。傳統(tǒng)的圓筒電機轉(zhuǎn)子的電磁徑向力是其噪聲的主要根源，對于圓方電機其定子結(jié)構(gòu)不同，但轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電機類似，本文對比分析兩種電機噪聲與轉(zhuǎn)子電磁力之間的關(guān)系。

首先建立轉(zhuǎn)子電磁力的理論模型，在此模型基礎(chǔ)上，提出并建立了圓方永磁電機的轉(zhuǎn)子電磁力，模態(tài)及諧響應(yīng)有限元模型，證明轉(zhuǎn)子電磁徑向力的 14階次諧波激發(fā)了轉(zhuǎn)子第一階彎曲固有頻率的共振，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩脈動及其28 階諧波未激發(fā)扭轉(zhuǎn)固有頻率共振，且對彎曲固有頻率振動的影響相對于徑向力可以忽略，利用有限元方法去印證圓方永磁電機的振動噪聲的主要根源是轉(zhuǎn)子電磁徑向力及其諧波。通過實驗驗證轉(zhuǎn)子電磁徑向力的 14 階次諧波激發(fā)轉(zhuǎn)子第一階彎曲固有頻率的共振，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩脈動及其 28 階次諧波未激發(fā)扭轉(zhuǎn)固有頻率共振，印證有限元分析的結(jié)果，即圓方永磁電機在一階固有頻率點的振動噪聲主要根源是電機轉(zhuǎn)子的徑向力及其諧波。

      本文摘編自齊發(fā)云博士論文的部分段落，供大家學(xué)習研究。論文所有版權(quán)歸齊發(fā)云及其授權(quán)人所有。特此聲明。