關于電機振動噪聲分析你可能不了解的
PART1 問題的引入
電機噪聲分析，貌似玄學，網上各路大神大展神通，讓我們看到各路軟件強大的后處理能力，各種圖表信息撲面而來，花枝招展。。。。。。那問題來了，您收到了啥解決您電機設計的關鍵問題的、可實際操作驗證的方法了嗎？您對于這個問題的理解或解決，還只是停留在軟件炫酷操作把軟件當作玩具階段，而還不能上升到實戰工具的層面嗎？
言歸正傳，既然談到設計實戰，我們在設計之初，當客戶給定電機安裝空間約束后，我們開始我們的電磁設計的第一問題是，外徑就這么大（比如在這里假定根據客戶的安裝空間約束，使用內轉子設計，電機定子不能超過150mm，額定轉速1000rpm輸出額定功率1KW），我該選啥槽極配合呢？不同的槽極配合對電機實際運行過程中的振動噪音問題影響如何？
PART2 解決問題思路形成、操作方法以及對比驗證
一個直觀的想法，對于要選定一個可能振動比較小噪聲比較低的槽極配合方案，根據之前學過的電機繞組理論，如果我們要選擇分數槽方案（整數槽簡單大家都知道這里就不在重復了），可能會來自于以下幾個方面的影響：
1、繞組是否足夠分布
分數槽繞組的每極每相槽數q=N/D（不可約分數），N代表了繞組的分布，很多分數槽集中繞組，其實轉子磁鋼激發的氣隙的磁通密度分布很糟糕，但因為定子測因為N足夠大，也會獲得比較好看低諧波含量的理想空載反電勢波形。那這個因素對振動噪聲的影響如何？
2、這里D影響的是分數星型槽磁勢的對稱性，通常D為非2的偶數，一個單元機內，會存在單邊磁拉力，這個是一個直接的徑向力，我們都知道振動噪聲來源于電機運行過程中的徑向力分布。那是不是說在設計同一電磁方案，氣隙直徑相當的不同槽極配合中，單邊磁拉力就一定影響最大嗎？
3、如果D是奇數，N都一樣，槽極配合的基波周期數的影響如何？
4、不同槽極配合帶來的電機本身的固有頻率差異，是否可能也會帶來一定影響？
綜上我們暫時能考慮到的潛在影響，如何科學靠譜的評估設計同一電磁方案時，不同槽
極配合的影響呢？對于這個150mm的外徑，尺寸不大，一般不會選擇太多槽數，為了能比較好的評估以上影響，我們選擇9槽和12槽兩種槽數，選擇9槽10極，12槽10極或14極。
之所以這樣選擇9槽10極，是因為他存在明顯的單邊磁拉力，但同時在三個方案中，繞組分布的影響最大（N=3），這兩個因素哪個更直接，仿真驗證過才知道。12槽10極或14極，繞組磁勢關于原點對稱，不含偶數次諧波，但沒轉周期數明顯差異。
為了能盡可能的在一個尺度上評估，他們極數相差不大，選定固定的定子內徑（實際上12槽14極本可以優化到更少的用料），相同的極弧系數來評估（影響振動噪聲主要是徑向力分布和齒槽轉矩關系不大），基于以上的思路，我們正向設計了三個電磁方案：
PART3 滿足同一要求的3種不同槽極配合的電磁方案參數
GENERAL DATA |
|||
9S10P |
12S10P |
12S14P |
|
Rated Output Power (kW): |
1 |
1 |
1 |
Rated Voltage (V): |
72 |
72 |
72 |
Number of Poles: |
10 |
10 |
14 |
Frequency (Hz): |
83.3333 |
83.3333 |
116.667 |
Rotor Position: |
Inner |
Inner |
Inner |
Type of Circuit: |
Y3 |
Y3 |
Y3 |
Operating Temperature (C): |
115 |
115 |
115 |
STATOR DATA |
|||
Number of Stator Slots: |
9 |
12 |
12 |
Outer Diameter of Stator (mm): |
150 |
150 |
150 |
Inner Diameter of Stator (mm): |
100 |
100 |
100 |
Type of Stator Slot: |
3 |
3 |
3 |
Stator Slot |
|||
hs0 (mm): |
0.6 |
0.6 |
0.6 |
hs1 (mm): |
1.2 |
1.2 |
1.2 |
hs2 (mm): |
13.5 |
13.2 |
11.6 |
bs0 (mm): |
5 |
5 |
5 |
bs1 (mm): |
24.7852 |
15.7168 |
18.4085 |
bs2 (mm): |
34.6124 |
22.7907 |
24.625 |
rs (mm): |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
Top Tooth Width (mm): |
12.1 |
11.6 |
9 |
Bottom Tooth Width (mm): |
12.1 |
11.6 |
9 |
Length of Stator Core (mm): |
77 |
75 |
77 |
Stacking Factor of Stator Core: |
0.97 |
0.97 |
0.97 |
Type of Steel: |
DW465_50 |
DW465_50 |
DW465_50 |
Designed Wedge Thickness (mm): |
1.2 |
1.2 |
1.2 |
Slot Insulation Thickness (mm): |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
Layer Insulation Thickness (mm): |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
End Length Adjustment (mm): |
6.5 |
6.5 |
6.5 |
Number of Parallel Branches: |
1 |
1 |
1 |
Number of Conductors per Slot: |
52 |
42 |
40 |
Type of Coils: |
21 |
21 |
21 |
Average Coil Pitch: |
1 |
1 |
1 |
Number of Wires per Conductor: |
5 |
5 |
5 |
Wire Diameter (mm): |
0.813 |
0.724 |
0.724 |
Wire Wrap Thickness (mm): |
0.06 |
0.06 |
0.06 |
Stator Slot Fill Factor (%): |
57.0981 |
59.9672 |
58.9526 |
Coil Half-Turn Length (mm): |
121.566 |
111.944 |
113.458 |
Wire Resistivity (ohm.mm^2/m): |
0.0217 |
0.0217 |
0.0217 |
ROTOR DATA |
|||
Minimum Air Gap (mm): |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
Inner Diameter (mm): |
75 |
80 |
80 |
Length of Rotor (mm): |
77 |
75 |
77 |
Stacking Factor of Iron Core: |
0.97 |
0.97 |
0.97 |
Type of Steel: |
DW465_50 |
DW465_50 |
DW465_50 |
Polar Arc Radius (mm): |
29.5 |
29.5 |
29.5 |
Mechanical Pole Embrace: |
0.83 |
0.83 |
0.83 |
Electrical Pole Embrace: |
0.707273 |
0.707273 |
0.758583 |
Max. Thickness of Magnet (mm): |
2.7 |
2.7 |
2.7 |
Width of Magnet (mm): |
25.1104 |
25.1104 |
17.936 |
Type of Magnet: |
NdFe35 |
NdFe35 |
NdFe35 |
PERMANENT MAGNET DATA(115C) |
|||
Residual Flux Density (Tesla): |
1.1 |
1.1 |
1.1 |
Coercive Force (kA/m): |
838 |
838 |
838 |
Maximum Energy Density (kJ/m^3): |
230.45 |
230.45 |
230.45 |
Relative Recoil Permeability: |
1.0446 |
1.0446 |
1.0446 |
Demagnetized Flux Density (Tesla): |
0 |
0 |
0 |
Recoil Residual Flux Density (Tesla): |
1.1 |
1.1 |
1.1 |
Recoil Coercive Force (kA/m): |
838 |
838 |
838 |
PS：經ANSYS MAXWELL有限元瞬態場仿真，三個不同槽極配合在額定轉速輸出額定功率時，經過修正后效率都剛好超過90%。
PRATS4 通過Ansys Maxwell計算額定輸出時的徑向電場力分布導入ANSYS WORKBENCH進行諧響應分析的結果圖表數據:
結論：經過分析，可以看出，當每極每相槽數q=N/D（不可約分數）的 N為奇數，繞組對稱不存在單邊磁拉力的條件下，分數槽的每轉周期數最大的12S14P極產生最小的電磁噪音：
文章來源：展文電機
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