電磁力波
關(guān)注創(chuàng)建者：肉多多 創(chuàng)建時間：2019-01-30
電磁力波的視頻教程
Maxwell電磁振動相關(guān)知識
主要包括：（1）徑向電磁力理論推導（麥克斯韋張量法）；（2）徑向氣隙磁密和切向氣隙磁密的數(shù)據(jù)對比，F(xiàn)FT對比；（3）徑向電磁力波和切向電磁力波數(shù)據(jù)對比，F(xiàn)FT對比；（4）徑向電磁力波帶Bt與不帶Bt的數(shù)據(jù)對比分析；（5）徑向電磁力波的二維FFT變換；（6）徑向電磁力波轉(zhuǎn)化為徑向電磁力提取集中力的方法（力波如何轉(zhuǎn)化為力）；兩種辦法：ac直接將齒切出來在maxwell中進行齒的積分計算，b對徑向電磁力波求有效值
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Maxwell電機磁密和電磁力的分析計算（三種方法，全網(wǎng)最全）
采用maxwell場計算器計算徑向/切向電磁力，首先介紹了計算氣隙磁密的三種方法，將三種方法的數(shù)據(jù)導出，查看數(shù)據(jù)的大小基本一致，然后采用電磁力波的計算公式進行計算電磁力波。
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永磁同步電機力波和NVH分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討
加速度Campbell圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 12000rpm的振型 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?空間4階數(shù)的加速度和電磁力雷達圖 6.針對NVH的電磁力波結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法探討
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電磁力波的實例教程
電機電磁噪聲產(chǎn)生的原因大多如下所述：氣隙中存在各次諧波磁場，它們除產(chǎn)生切向力矩外，還會相互作用產(chǎn)生徑向電磁拉力，這種徑向力是一種行波，特稱之為徑向電磁力密度諧波或者徑向電磁力波，電磁力波作用于定子鐵心，導致定子鐵心徑向振動，定子徑向振動引起周圍空氣振動，從而產(chǎn)生電磁噪聲。
當電磁力波的階次低、幅值高，定子或者定子鐵心中存在該電磁力波相同階次和頻率接近的固有模態(tài)，該電磁力波會引起定子或者定子鐵心共振，從而導致高的電磁噪聲。
解決電磁噪聲問題，首先要準確分析和計算電磁力波。通過修改電機結(jié)構(gòu)參數(shù)，削弱或者消除引起電磁噪聲的電磁力波是設計低噪聲電機最有效的方法。
iEmSim中“電磁穩(wěn)態(tài)(網(wǎng)絡路法)”可以快速計算電磁力及其諧波，電磁力顯示形式包括：空間圖、時空圖、頻域圖、曲線圖、云圖、柱狀圖、數(shù)據(jù)表格、理論解析式說明表單、結(jié)論表單、動畫等。
氣隙徑向磁力以圖形展現(xiàn)如圖1至圖8所示。
氣隙徑向力波以文表形式展現(xiàn)如圖9、圖10和圖11所示。圖9和圖10中一行數(shù)據(jù)代表一個氣隙磁力密度諧波，圖9中每個氣隙徑向力波均包含：階次、頻率、幅值、相角、轉(zhuǎn)向。圖10顯示的是每個徑向力波的階次解析式和頻率解析式。圖11顯示的每行數(shù)據(jù)代表氣隙徑向磁力密度諧波與氣隙徑向磁密諧波對的對應關(guān)系，B(n)代表磁密諧波，n為該磁密諧波在磁密諧波數(shù)據(jù)表格中的序號。通過如圖9、圖10和圖11所示的數(shù)據(jù)可以查找分析出電磁力波產(chǎn)生所對應的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行工況條件，修改結(jié)構(gòu)參數(shù)，比如定子槽數(shù)、轉(zhuǎn)子槽數(shù)等，可以削弱或者消除某些電磁力波。
iEmSim幫助文檔中對電機電磁振動噪聲分析基本準則有詳細總結(jié)和闡述。
展開 聲波是高頻“力”的傳播或許不足為奇，但電磁波也有相似的傳播特征，這卻有重大的意義。
二、電磁波 (Electromagnetic wave)又稱電磁輻射、電子煙霧
1865年，James clerk maxwell 創(chuàng)立了經(jīng)典電磁理論，并預言了電磁波的存在，且通過麥克斯韋方程計算出光速。1887年，赫茲用實驗證明了電磁波的存在。其后，電磁理論逐步完善。
電磁理論認為電磁波是變化電場周圍激發(fā)出磁場，變化磁場周圍再激發(fā)出電場,空間電場、磁場的相互激變使電磁波實現(xiàn)傳播。然而，進一步研究發(fā)現(xiàn)，磁場、電場的本質(zhì)是“力”。
磁場的定義是，對放入其中的磁體有磁力作用的物質(zhì)叫磁場。當一個磁針受力偏轉(zhuǎn)時，就可斷定周圍有磁場。反過來說，如果磁場對任何物質(zhì)都不產(chǎn)生作用力，就不能稱為磁場，因此磁場的本質(zhì)是磁力，“磁力”是磁場唯一標志。
同理，電場的本質(zhì)是電荷對電荷的作用“力”，當電子在某一區(qū)域受到力時，就斷定周圍有電場。相反，如果電場中不產(chǎn)生任何力，也就不成為其電場，因此電場就是電荷力的作用場，“力”是電場的唯一標志。
磁場是“磁力”，電場是“電荷力”，那么，電場、磁場的相互激變，必然是電荷力與磁力的激變，因此，電磁波的傳播本質(zhì)是傳播“電磁力”。
再從電磁波傳播的效果看，在電磁波接收器中，接收到的電磁信號本質(zhì)是什么？其實是導體獲得微小高頻電流，而電流是電子的流動，但是電子只有受到電磁力作用才會移動，電磁力從何而來呢？是電磁波發(fā)射器傳送來的，因此電磁信號的傳遞就是傳遞“電磁力”。
電磁波的本質(zhì)是傳播高頻的“電磁力”。這似乎難以讓人接受，但電磁波在客觀中的表現(xiàn)卻與此很吻合。
展開 電磁力波和模態(tài)參數(shù)是影響電機電磁振動噪聲的兩個關(guān)鍵因素。因此可以在二維電磁場中對電機電磁力波進行分析，從而建立電機三維模態(tài)仿真模型分析電機結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。為了有效抑制電磁噪聲,需要使電機的各階模態(tài)頻率遠離調(diào)速范圍內(nèi)對應階次的電磁力波頻率［11'12］。本文從優(yōu)化電機的電磁力波角度出發(fā),對電機模態(tài)進行準確分析并采用優(yōu)化方法抑制電磁噪聲。
1電磁力波分析
1.1 電機參數(shù)
本文以一臺商務車主驅(qū)動PMSM為研究對象，表1為電機的主要參數(shù)。
電機的轉(zhuǎn)子磁路采用內(nèi)置式V形結(jié)構(gòu)，其橫截面如圖1所示。
1.2 電磁力波的時空分布
電機運行時，氣隙中存在基波磁場和一系列諧波磁場。這些磁場相互作用，從而產(chǎn)生隨時間
和空間周期性變化的電磁力波。
根據(jù)麥克斯韋張量法，氣隙中徑向和切向電磁力密度的計算公式為
式中：Br和Bt分別為氣隙磁密的徑向和切向分量;μo為真空磁導率;fr和ft分別為徑向和切向電磁力密度。
由式(1)和式(2)可看出，電機氣隙中的電磁力波會發(fā)生周期性變化。空載3 000 r/min工況下電機的徑向和切向電磁力波在時域內(nèi)的時空三維圖如圖2所示。圖2顯示出電機徑向和切向電磁力波在時間和空間上的周期性變化,切向電磁力波僅為徑向電磁力波的1/5。因此在分析電機電磁噪聲時可以忽略切向電磁力波的影響，僅對電機的徑向電磁力波進行分析。
1.3 電磁力波的二維傅里葉變換分析
通過對時域電磁力波進行二維傅里葉變換(2DFFT)，可以獲得頻域上電磁力波的時空分布。
展開 圖3.徑向電磁力波沿機械角度的空間分布
圖4.徑向電磁力波的空間階數(shù)分解
好了，費了這么大的勁解釋了徑向電磁力的空間階數(shù)，那么問題來了，我們?yōu)槭裁匆P(guān)注徑向電磁力波的空間階數(shù)呢，這里簡單說兩點：
僅考慮定子的周向模態(tài)而言，定子結(jié)構(gòu)的變形量與徑向激勵力階數(shù)的四次方成反比：。這可真是個好特性，這意味著我們前面推出來徑向電磁力波的那么長一串表達式中，我們對于力波次數(shù)高的就可以忽略不考慮了，事實上我們一般只需關(guān)注階數(shù)低、幅值大的徑向電磁力波，這大大縮小了我們“對抗”諧波的范圍，通過前面的推導，一般來說定子和轉(zhuǎn)子諧波磁場相互作用會產(chǎn)生階數(shù)低、幅值大的電磁力波，是我們重點關(guān)注的對象，這里不具體展開討論了。
僅考慮定子的周向模態(tài)而言，徑向電磁力波要導致定子共振有兩個條件需滿足：第一便是我們所謂的“力型”和定子周向的模態(tài)振型要接近或一致（特別注意這里說的是周向模態(tài)振型，在下一節(jié)會有解釋）。第二就是徑向電磁力波的頻率要和對應模態(tài)振型的模態(tài)頻率接近或者一致。
看到這里，相信讀者已經(jīng)明白了分析徑向電磁力波空間階數(shù)的重要性，接下來看看徑向電磁力波的時間頻率特性。在這里我喜歡按照不同空間階數(shù)的徑向電磁力波分開來討論，因為這些電磁力波的空間階數(shù)特征并不會隨時間而改變。隨著時間的變化徑向電磁力波在氣隙中各點的幅值會按照一定的規(guī)律在變化，這個變化是時間維度上的，（類似電機學中繞組的“脈振”磁動勢的變化，也正是這些“脈振”的變化，使得我們的磁場能夠旋轉(zhuǎn)起來，這里真是有些奇妙，脈振和旋轉(zhuǎn)的關(guān)系，就像物理里面的駐波和行波）分解到各個空間階數(shù)的徑向電磁力波上，不同階數(shù)的力波其隨時間變化的頻率特征是不一樣的。所以這里就是我們應該要重點關(guān)注的。
展開 由于徑向電磁力沿定子軸向的分布基本一致，定子的軸向一致模態(tài)是對電磁振動噪聲貢獻較大的，因此工程上經(jīng)常只考慮m=0的情況（定子沿軸向振動同相位），若考慮較為細致，也會考慮當m=1時的情況（定子軸向兩端振動反相位），軸向更高階的模態(tài)相比于徑向模態(tài)對定子徑向電磁力致振動噪聲貢獻會非常小，在工程上可以忽略不計。如圖6所示，左圖為定子徑向3階、軸向0階模態(tài)（軸向同相位振動），右圖為定子徑向3階、軸向1階模態(tài)（軸向反相位振動），對于徑向電磁力致振動噪聲而言，（0,3）階模態(tài)會比（1,3）階模態(tài)的貢獻大得多。
圖6.定子的軸向同相位振動模態(tài)和軸向反相位振動模態(tài)
對于徑向電磁力致振動噪聲而言，軸向階數(shù)為0，徑向振動階數(shù)低的模態(tài)是我們關(guān)注的重點。我們常根據(jù)徑向力波的形狀和階數(shù)來定義定子的徑向振動模態(tài)的階數(shù)，如：定子徑向0階模態(tài)振型和空間0次電磁力波形狀相似、定子徑向1階模態(tài)振型和空間1次電磁力波形狀相似、定子徑向2階模態(tài)振型和空間2次電磁力波形狀相似，依次類推，容易理解。如下圖7所示的定子徑向0階、2階、4階模態(tài)（分別與空間0次、2次、4次電磁力波形狀對應），這和我們一般模態(tài)分析時候按照頻率從小到大的階數(shù)定義要加以區(qū)別。
圖7.
展開 
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電磁力波的最新內(nèi)容
此類噪聲的核心誘因在于電磁力波激勵引發(fā)的結(jié)構(gòu)振動及空氣輻射噪聲，傳統(tǒng)采用阻尼敷設、結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化等被動降噪手段，不僅存在研發(fā)成本高、周期長的局限，還可能犧牲動力總成功率密度與空間布局靈活性，難以滿足當前高性能電驅(qū)系統(tǒng)的設計需求。
當電磁力波的階次低、幅值高，定子或者定子鐵心中存在該電磁力波相同階次和頻率接近的固有模態(tài)，該電磁力波會引起定子或者定子鐵心共振，從而導致高的電磁噪聲。
解決電磁噪聲問題，首先要準確分析和計算電磁力波。通過修改電機結(jié)構(gòu)參數(shù)，削弱或者消除引起電磁噪聲的電磁力波是設計低噪聲電機最有效的方法。
考慮磁鋼溫度特性的電機特性仿真
電機設計優(yōu)化
參數(shù)化建模
IPM轉(zhuǎn)子UDP參數(shù)化模型
UDP參數(shù)化模型
輸出參數(shù)化：反電勢、轉(zhuǎn)矩某次諧波幅值
輸出參數(shù)化：時空電磁力2DFFT
? 電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，氣隙圓周中產(chǎn)生的空間電磁力密度波形具有時空二維屬性
? 我們通常對有限元仿真得到的時空電磁力波數(shù)據(jù)進行二維傅里葉分析
申秀敏[2]以電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機為研究對象，從定子表面的電磁力波和定子的結(jié)構(gòu)模態(tài)兩方面入手進行分析，得出電機噪聲的產(chǎn)生主要是由于徑向電磁力激起了定子結(jié)構(gòu)的共振。齊冀龍、田彥濤[3]等將壓縮機的負載模型與永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合來模擬壓縮機帶負載驅(qū)動的情況，并在此基礎上提出了一種減少電機轉(zhuǎn)矩脈動的方法。
圖5 激勵減速器前端頻響
綜上所述，結(jié)合整車振動噪聲測試數(shù)據(jù)和整車動力總成頻響、模態(tài)測試結(jié)果，車輛在130～200r／min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在74Hz頻率附近局部強化的24階振動噪聲是由驅(qū)動電機激勵、驅(qū)動電機電磁力波頻率同車輛動力總成固有頻率共振引起的。
圖18 電機噪聲瀑布圖
下圖所示為Motor-CAD軟件計算得到的各次電磁力波引起的噪聲瀑布圖，由圖中的結(jié)果分析可知，噪聲主要由兩個共振帶引起，分別為0階模態(tài)和8階模態(tài)。
氣隙中的主要電磁力波：
因為電機定子結(jié)構(gòu)的形變程度與定子所受到徑向電磁力階數(shù)的四次方成反比，所以只需要考慮階數(shù)低，幅值高的電磁力波。由模態(tài)分析的仿真結(jié)果可以看出，定子前8階模態(tài)的固有頻率與徑向電磁力的主要頻率相比，其頻率范圍并不接近，不滿足電機發(fā)生共振的條件，因此電機的設計是合理的。
1 電機電磁力徑向力波計算
1.1 電機電磁力波解析模型
由麥克斯韋爾應力張量法分析電機徑向電磁力的計算公式作用在鐵磁物質(zhì)表面上的電磁力可表示為
式中：Fr 為作用在鐵磁物質(zhì)表面上的徑向電磁力，且為面應力，單位為N/m2；Ft為作用在鐵磁物質(zhì)表面上的切向電磁力，且為面應力，單位為N/m2；Br為鐵磁物質(zhì)一側(cè)介質(zhì)徑向磁通量密度；Bt 為鐵磁物質(zhì)一側(cè)介質(zhì)切向磁通量密度；μ為鐵磁物質(zhì)與介質(zhì)交界面一側(cè)介質(zhì)的磁導率
以普銳斯48槽8極永磁同步電機為例，為了能夠識別空載條件下的電磁力波，可在MANATEE后處理中直接運行相關(guān)指令，如下所示，從下圖分析，可知：0階電磁力波的主要諧波來源為基波的12倍頻；8階電磁力諧波的來源為基波的2倍頻，12倍頻，14倍頻；
空載運行電磁力諧波來源分析
