諧波磁場(chǎng)
關(guān)注創(chuàng)建者：段譽(yù) 創(chuàng)建時(shí)間：2019-04-19
諧波磁場(chǎng)的視頻教程
永磁同步電機(jī)力波和NVH分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討
永磁同步電機(jī)力波和NVH分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討 適用人群：電機(jī)設(shè)計(jì)工程師、NVH工程師、電機(jī)專業(yè)學(xué)生；振動(dòng)噪聲分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化 永磁同步電機(jī)力波和NVH分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討（免費(fèi)）【已結(jié)束】?直播時(shí)間：2020-07-21 19:30 電機(jī)在運(yùn)行過程中，氣隙磁場(chǎng)包括基波磁場(chǎng)和一系列諧波磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生電磁力，將電磁力可分解為徑向力和切向力，其中切向力會(huì)產(chǎn)生切向轉(zhuǎn)矩，而隨著時(shí)間和空間變化的徑向力作用于定子鐵心上
￥99 1小時(shí)9分鐘 568播放
查看
諧波磁場(chǎng)的實(shí)例教程
圖3 近場(chǎng)聲源定位測(cè)試
圖4 315 Hz～400 Hz噪聲分布特性
圖5 電機(jī)部噪聲頻譜
圖6 電機(jī)部振動(dòng)頻譜
1.2 電機(jī)6f徑向電磁力理論分析
對(duì)壓縮機(jī)電機(jī)而言，其徑向電磁力由永磁體磁場(chǎng)、電樞電流磁場(chǎng)及槽結(jié)構(gòu)相互作用而產(chǎn)生。根據(jù)麥克斯韋定律可得徑向電磁力波表達(dá)式如下[4-6]：
式中，Pn代表單位面積上的徑向電磁力；b1為氣隙基波磁場(chǎng)；bν為定子電樞繞組諧波磁場(chǎng)；bu為轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)；B1為氣隙基波磁場(chǎng)幅值；Bν為定子電樞繞組諧波磁場(chǎng)幅值；Bμ為氣隙均勻情況下轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)幅值；Λ0為氣隙平均磁導(dǎo)；Λk為定子第k次齒諧波磁導(dǎo)；k為齒諧波磁導(dǎo)階數(shù)；μ為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波次數(shù)；ν為定子電樞磁場(chǎng)諧波次數(shù)；p為極對(duì)數(shù)；Z1為定子槽數(shù)；ω1為電機(jī)輸入電頻率；φ0、φν、φμ均為磁場(chǎng)相位角。
將9槽6極電機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)帶入徑向電磁力表達(dá)式，可得其6倍頻徑向電磁力的組成情況如表1所示。
表1 電機(jī)6f徑向電磁力
由表1可以看出，9槽6極電機(jī)的6倍頻徑向電磁力主要分為6階6倍頻徑向電磁力和3階6倍頻徑向電磁力兩種。
電機(jī)的6階6倍頻徑向電磁力由表1中的前三項(xiàng)組成，主要為：（1）基波磁場(chǎng)B1自身相互作用產(chǎn)生，由于基波磁場(chǎng)幅值較大，因此該部分為6階6倍頻電磁力的主要來源；（2）轉(zhuǎn)子3次諧波磁場(chǎng)與基波磁場(chǎng)共同作用產(chǎn)生；（3）次數(shù)相差2的定子諧波磁場(chǎng)之間相互作用會(huì)產(chǎn)生6階6倍頻電磁力，但是由于階次較高，對(duì)應(yīng)的力波幅值較小，其產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。
展開 將（1）、（2）、（3）都代入（4）中顯然這會(huì)得到一個(gè)很長(zhǎng)的表達(dá)式，里面包含了所有產(chǎn)生徑向電磁力的項(xiàng)（基波磁場(chǎng)作用、定子諧波磁場(chǎng)作用、轉(zhuǎn)子諧波作用、定轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用等一系列產(chǎn)生徑向電磁力的元素，這里只介紹電磁力來源的思想和方法，具體的表達(dá)式這里不詳細(xì)展開，可參閱諸自強(qiáng)教授的《電機(jī)噪聲的分析與控制》）。
至此，我們大致了解了由磁動(dòng)勢(shì)、磁導(dǎo)到磁場(chǎng)（磁密）再到電磁力波的關(guān)系由來：因?yàn)榇罅康?em>諧波磁動(dòng)勢(shì)和存在周期變化分量的磁導(dǎo)作用，產(chǎn)生了存在大量諧波的磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)單獨(dú)或相互作用產(chǎn)生了一系列的徑向電磁力波，正是這些隨時(shí)間和空間變化的徑向電磁力波，導(dǎo)致了定子的振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲。
2.2 徑向電磁力波的時(shí)空特性
由上述介紹，我們明白了徑向電磁力波既是時(shí)間的函數(shù)又是空間的函數(shù)，這里就將引出兩個(gè)特別重要的特性：空間階數(shù)和時(shí)間頻率。
首先還是來看看徑向電磁力在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)到底是怎樣的一個(gè)形式存在，希望能給大家建立起一個(gè)相對(duì)直觀的認(rèn)知。舉個(gè)例形象地說明一下：在有限元軟件中提取某電機(jī)某一時(shí)刻的氣隙的徑向電磁力數(shù)據(jù)（特別注意，這里是某一時(shí)刻，也就是此時(shí)僅僅考慮的是徑向電磁力隨空間的分布，而沒有考慮隨時(shí)間的變化），得到其沿著電機(jī)機(jī)械角度的一個(gè)分布，如圖3所示，大家可以發(fā)現(xiàn)氣隙徑向電磁力在空間圓周上的分布似乎有一定的周期性，沒錯(cuò)，此時(shí)借助我們的傅立葉分解的數(shù)學(xué)工具，就可以將其分解得到一系列的空間頻率，這里稱之為空間階數(shù)。將分解后得到的各次諧波在圓周上畫出，便是我們一般意義上的空間階數(shù)力波的型態(tài)，也稱之為“力型”，如圖4所示，我們按照瓣數(shù)定義空間徑向電磁力波的階數(shù)，0瓣為0階，1瓣為1階，2瓣為2階，如此類推，容易理解。
展開 來看一些基本的概念吧：
頻率f：每秒特定事件發(fā)生的次數(shù)；
轉(zhuǎn)頻：每秒轉(zhuǎn)過的圈數(shù)（rps）=n/60
轉(zhuǎn)速n：每分鐘轉(zhuǎn)過的圈數(shù)（rpm）
階次O：每轉(zhuǎn)一圈特定事件發(fā)生的次數(shù)
那么可以得出階次O：每轉(zhuǎn)一圈特定事件發(fā)生的次數(shù)=(頻率：每秒特定事件發(fā)生的次數(shù))/(轉(zhuǎn)頻：每秒轉(zhuǎn)過的圈數(shù))，這里我們回過頭來看看我們之前推導(dǎo)的電磁力波的特征頻率，以定子υ次諧波磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子μ次諧波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的小于4次的力波為例：其次數(shù)可以表述為：γ=μ+υ，其力波頻率為2kf0，又由變頻調(diào)速永磁同步電機(jī)的電流基頻和轉(zhuǎn)速關(guān)系知：
f0=np/60
其中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；P：電機(jī)極對(duì)數(shù)；f0：電機(jī)電流基頻；
那么我們定子υ次諧波磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子μ次諧波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的小于4次的空間電磁力波其階次特征為：
如圖9為一個(gè)6極的永磁同步電機(jī)的加速噪聲A計(jì)權(quán)瀑布圖，其極對(duì)數(shù)P=3，根據(jù)我們上面的推導(dǎo)：6、12、18、24、30、36、42、48、54、60等2KP階次噪聲其來源就很有可能是我們上述的定子諧波磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生。至此，希望我的介紹讓大家明白了用瀑布圖來診斷電磁噪聲來源的機(jī)理。
圖9.
展開 由于永 磁電機(jī)中存在永磁體，其銅損則可分為繞組銅損和永磁體損耗（渦流損耗）兩大類，其值受到定子電流、繞組結(jié)構(gòu)與材料以及諧波磁場(chǎng)等影響。機(jī)械損耗包括軸承摩擦損耗、電刷摩擦損耗和風(fēng)磨損耗，在電機(jī)設(shè)計(jì)階段，此類損耗一般為工程師根據(jù)電機(jī)實(shí)際工況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來估算得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖 1 電機(jī)損耗分類
損耗削弱方法
1、鐵損削弱方法
①選擇合適的齒槽，齒槽主要考慮槽型、槽深、槽口尺寸、極槽配合等；
②選擇合適的磁極，主要考慮氣隙長(zhǎng)度、永磁體厚度、永磁體邊緣斜角、充磁方式、釹鐵硼材料等方面；
③增加鐵心長(zhǎng)度，增大定子軛高，減小磁密；
④選擇較高規(guī)格的硅鋼片材料；
⑤選擇合適的控制方式；
⑥采用無鐵心結(jié)構(gòu)，一般用于盤式永磁電機(jī)。
2、銅損削弱方法
①選擇合適的繞組結(jié)構(gòu)形式，例如增大線徑，減小匝數(shù)；選擇合適的繞線方式；改變端部結(jié)構(gòu)；
②選擇合適的極槽結(jié)構(gòu)，如斜槽、偏心結(jié)構(gòu)，減小諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的附加銅損；
③優(yōu)化驅(qū)動(dòng)控制方式，減小諧波電流及換相電流產(chǎn)生的附加銅損。
3、永磁體損耗削弱方法
①選擇合適的齒槽結(jié)構(gòu)和極槽配合形式；
②改變永磁磁極結(jié)構(gòu)。
E asimotor 案例分析
E asimotor 軟件在損耗研究方面的優(yōu)勢(shì)：相較于傳統(tǒng)的損耗計(jì)算方法，軟件在考慮磁場(chǎng)諧波含量的基礎(chǔ)上，采用節(jié)點(diǎn)磁密計(jì)算電機(jī)參數(shù)，精度較高；并且軟件中集成了控制算法和參數(shù)化優(yōu)化模塊，可以快速有效計(jì)算不同控制算法和參數(shù)時(shí)的損耗值，能夠幫助工程師快速優(yōu)化電機(jī)參數(shù)，為電機(jī)設(shè)計(jì)者提供最佳設(shè)計(jì)方案。
展開 對(duì)于整數(shù)槽永磁同步電機(jī),電磁噪聲的主要來源是定轉(zhuǎn)子高次諧波磁場(chǎng)的相互作用。定子繞組磁場(chǎng)諧波次數(shù)為:
v=(6k1+1)p, k1=±1,±2,±3,…
(8)
其中,p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。
轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)的諧波次數(shù)為:
μ=(2k2+1)p, k2=1,2,3,…
(9)
因此定轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的徑向電磁力波次數(shù)為:
(10)
由(10)式可知,整數(shù)槽永磁同步電機(jī)徑向電磁力波的空間階次可能為0或等于電機(jī)極數(shù)的整數(shù)倍。本文研究的動(dòng)力總成驅(qū)動(dòng)電機(jī)是8極48槽的永磁同步電機(jī),因此其徑向電磁力波的空間階次可能為0、8、16階等。
1.2.2 徑向電磁力仿真分析
徑向電磁力在空間上呈周期性分布,同時(shí)空間上各點(diǎn)處的徑向電磁力在時(shí)間上呈周期性變化。以往許多學(xué)者只是對(duì)徑向電磁力在時(shí)間或空間進(jìn)行一維的諧波分析,即只對(duì)空間中某一點(diǎn)隨時(shí)間變化的徑向電磁力進(jìn)行諧波分析或只對(duì)某一時(shí)刻隨空間角度變化的徑向電磁力進(jìn)行諧波分析,這不能很好地分析電機(jī)徑向電磁力的時(shí)空分布規(guī)律。本文通過建立電機(jī)的二維電磁有限元模型,利用時(shí)步有限元法,仿真電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速11 000 r/min、峰值功率110 kW的工況下徑向電磁力在時(shí)空上的分布。電機(jī)的仿真參數(shù)見表1所列,其繞組形式為雙層繞組。電機(jī)的二維電磁有限元模型如圖2所示。
表1 電機(jī)仿真參數(shù)
圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁有限元模型
電機(jī)徑向電磁力的時(shí)空分布如圖3所示。
由文獻(xiàn)[15]可知,只有當(dāng)徑向電磁力的空間階次等于電機(jī)徑向模態(tài)階次且這一階徑向電磁力所包含的頻率靠近對(duì)應(yīng)階次的電機(jī)模態(tài)頻率時(shí),電機(jī)才發(fā)生共振。
展開 
諧波磁場(chǎng)的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
諧波磁場(chǎng)的最新內(nèi)容
從電磁力波到噪聲：工程師如何"扼殺"電機(jī)的刺耳聲音？11個(gè)月前
電機(jī)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(chǎng)，它們除產(chǎn)生切向力矩外，還會(huì)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(dǎo)致定子鐵心徑向振動(dòng)，定子徑向振動(dòng)引起周圍空氣振動(dòng)，從而產(chǎn)生電磁噪聲。
對(duì)于多速鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，一般包括雙速鼠籠異步電機(jī)、三速鼠籠異步電機(jī)、四速鼠籠異步電機(jī)，由于在某一個(gè)轉(zhuǎn)速或者幾個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)，定子繞組連接不對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)諧波很強(qiáng)，用傳統(tǒng)的等效相電路法難以準(zhǔn)確計(jì)算，用電路磁路網(wǎng)絡(luò)法可以快速準(zhǔn)確計(jì)算。
(2)忽略空間諧波對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)的影響。
(3)電機(jī)所采用的材料均為各向同性。
永磁直流空心杯電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸與相關(guān)參數(shù)如表1所示，空心杯電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型與有限元網(wǎng)格劃分如圖1、2所示。
2)變頻器工作時(shí)，輸出波形中的高次諧波引起的磁場(chǎng)對(duì)許多機(jī)械部件產(chǎn)生電磁策動(dòng)力，策動(dòng)力的頻率與這些機(jī)械部件的固有頻率接近或重合時(shí)將發(fā)生諧振。對(duì)振動(dòng)影響大的主要是較低次的諧波分量，在PAM方式和方波PWM方式時(shí)有較大的影響。但采用SPWM方式時(shí)，低次的諧波分量小，影響亦變小。
減輕或消除振動(dòng)的方法是在變頻器輸出側(cè)接人交流電抗器以吸收變頻器輸出電流中的高次諧波電流成分。
根據(jù)麥克斯韋定律可得徑向電磁力波表達(dá)式如下[4-6]：
式中，Pn代表單位面積上的徑向電磁力；b1為氣隙基波磁場(chǎng)；bν為定子電樞繞組諧波磁場(chǎng)；bu為轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)；B1為氣隙基波磁場(chǎng)幅值；Bν為定子電樞繞組諧波磁場(chǎng)幅值；Bμ為氣隙均勻情況下轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)幅值；Λ0為氣隙平均磁導(dǎo)；Λk為定子第k次齒諧波磁導(dǎo)；k為齒諧波磁導(dǎo)階數(shù)；μ為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波次數(shù)；ν為定子電樞磁場(chǎng)諧波次數(shù)；p為極對(duì)數(shù)；Z1為定子槽數(shù)
根據(jù)電磁理論對(duì)該驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行電磁力波分析，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的諧波次數(shù)為：
定子磁場(chǎng)的諧波次數(shù)為：
同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的主要電磁力波的極對(duì)數(shù)為：
那么，對(duì)應(yīng)的電磁力波的頻率為：
式中：k，r——常數(shù)；p——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；f r——轉(zhuǎn)子的頻率；μ±p——電磁力波對(duì)應(yīng)的頻率階數(shù)。
、電樞反應(yīng)磁場(chǎng)諧波次數(shù)，其大小分別為2K+ 1 ( k =0，1，2 ……)、6Kμ +1 ( k y0，±1，±2 ……)、6Kr +1 (k =0，±1，±2……)，其正、負(fù)號(hào)則分別表示諧波磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向的正負(fù)，諧波磁場(chǎng)的次數(shù)由其絕對(duì)值所代表。
2．1 電機(jī)噪聲計(jì)算
力波次數(shù)r計(jì)算如下m“：
子磁場(chǎng)諧波”為：
轉(zhuǎn)子諧波u為：
力波數(shù)r為：
其中：P為電機(jī)極對(duì)數(shù)；q1、q2：分別為每極每相槽數(shù)。
其他物理量的諧波分析
以上物理量的分析，還不足以對(duì)電機(jī)進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)，電磁降噪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波分析
電磁噪聲的大小與電機(jī)氣隙內(nèi)的諧波磁場(chǎng)及由此產(chǎn)生的力波的幅值、頻率和磁極數(shù)有關(guān)，也同定子的固有頻率、阻尼系數(shù)等密切相關(guān)。
