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引言 噪聲根源的識別是噪聲改善的前提和依據(jù)，對于傳統(tǒng)的圓筒形永磁直流電機，其電磁噪聲根源為電磁徑向力，由于圓方電機特殊的圓方外形，其電磁振動噪聲的根源亦有別于傳統(tǒng)圓筒形電機，對于圓方永磁電機的電磁振動和噪聲的研究尚屬空白，需在理論模型建立和分析的基礎(chǔ)上對其噪聲根源進行系統(tǒng)化研究。 普遍認為電磁徑向力是傳統(tǒng)圓筒永磁電機振動和噪聲主要的引發(fā)根源。但圓方永磁電機的幾何結(jié)構(gòu)及電磁特征，使得不僅電磁徑向力，而且電磁切向力對振動和噪聲也有很大貢獻。本章首先對圓方永磁直流電機的振動噪聲機理進行分析，指出電機中定、轉(zhuǎn)子間的電磁相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波或脈動力波，使定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和振動。旋轉(zhuǎn)力波或脈動力波，可以分解為徑向力和切向力，電磁激振徑向力波會使機殼產(chǎn)生相應(yīng)方向的振動模態(tài)，從而導(dǎo)致電磁振動和噪聲。對圓方永磁電機的振動機理分析表明，在圓方永磁直流電機中，定、轉(zhuǎn)子間的電磁相互作用，同樣地產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波或脈動力波可分解為徑向力和切向力，圓方永磁電機定子受到的徑向力和切向力又可分解為垂直于定子表面的縱向力和平行于定子表面的水平力，其中縱向力是產(chǎn)生電機振動噪聲的主要根源，由于徑向力和切向力都可以分解出相應(yīng)的縱向力，進而產(chǎn)生振動和噪聲，所以對圓方永磁電機而言，其振動噪聲是徑向力和切向力共同作用的結(jié)果，這與圓筒永磁直流電機振動噪聲來自徑向力的作用這一業(yè)界共識有很大不同。
圓方電機定子電磁噪聲機理及其特殊性研究 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。 定子仿真分析 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。 轉(zhuǎn)子電磁力對圓方電機噪聲的影響 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。
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