諧波磁場(chǎng)的案例
滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)軸振動(dòng)仿真及試驗(yàn)研究
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(lái)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(kāi) 淺談新能源汽車NVH—永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)徑向電磁力致噪聲的來(lái)龍去脈
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(lái)源的思想和方法，具體的表達(dá)式這里不詳細(xì)展開(kāi)，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(lái)：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(lái)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(shuō)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(méi)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(méi)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。
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來(lái)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(guò)的圈數(shù)（rps）=n/60
轉(zhuǎn)速n：每分鐘轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)的圈數(shù))，這里我們回過(guò)頭來(lái)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(lái)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(lái)診斷電磁噪聲來(lái)源的機(jī)理。
圖9.
展開(kāi) 永磁電機(jī)損耗研究
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(lái)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(wú)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(kāi) 
電動(dòng)汽車動(dòng)力總成噪聲分析與優(yōu)化
對(duì)于整數(shù)槽永磁同步電機(jī),電磁噪聲的主要來(lái)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(guò)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(jiàn)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(kāi) 重磅推薦：壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲故障診斷！
基波磁場(chǎng)和定轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用是產(chǎn)生徑向力波的主要原因。由基波磁場(chǎng)及定、轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的交變徑向力波作用于定轉(zhuǎn)子鐵芯，引起隨時(shí)間周期性變化的變形，從而引發(fā)振動(dòng)和噪聲。因轉(zhuǎn)子剛度較好，而定子鐵芯剛性較差，一般認(rèn)為定子鐵芯的振動(dòng)是引起電磁噪聲的主要原因。
現(xiàn)有部分小型壓縮機(jī)，如民用活塞空壓機(jī)等，采用的是單相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。單相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)，一般是橢圓形的，各次諧波磁場(chǎng)相互作用，除了產(chǎn)生徑向電磁振動(dòng)力外，一般還附加產(chǎn)生切向振動(dòng)力。切向振動(dòng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)本身的噪聲而言是微不足道的，然而由于這類電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合一般都是小型壓縮機(jī)，往往存在薄壁結(jié)構(gòu)，切向振動(dòng)常導(dǎo)致薄壁產(chǎn)生較大的振動(dòng)，甚至發(fā)生工作現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較大的噪聲。
3 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲故障診斷
壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，是由壓縮機(jī)本身以及電動(dòng)機(jī)各自的振動(dòng)噪聲疊加起來(lái)形成的。正常運(yùn)行中，壓縮機(jī)本體會(huì)發(fā)出一系列不同頻率的振動(dòng)噪聲，這些頻率一般具有一定的規(guī)律，常與壓縮機(jī)幾何參數(shù)如轉(zhuǎn)子齒數(shù)、氣缸列數(shù)等相關(guān)。對(duì)壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)噪聲的故障診斷，需充分考慮并排除壓縮機(jī)本體振動(dòng)噪聲的影響，必要時(shí)可脫離負(fù)載單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)來(lái)診斷其振動(dòng)噪聲。
3.1 電動(dòng)機(jī)噪聲診斷
在通常情況下，電動(dòng)機(jī)噪聲是平穩(wěn)的且具有隨機(jī)過(guò)程特性的復(fù)合噪聲。由于電動(dòng)機(jī)內(nèi)噪聲源較多，電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲分布在不同的頻域，而有時(shí)又相互重疊、混雜，噪聲往往具有較寬的頻域范圍。電動(dòng)機(jī)在特殊情況下，會(huì)產(chǎn)生非平穩(wěn)的隨機(jī)噪聲，而這種噪聲往往和某些故障有直接關(guān)系。電動(dòng)機(jī)所輻射的噪聲雖然是一種隨機(jī)過(guò)程的復(fù)合噪聲，但它內(nèi)部的噪聲源卻是互不相干的。頻譜分析是確定噪聲頻率成分和噪聲源的重要方法，這種方法將在下節(jié)一并闡述。
展開(kāi) 電機(jī)噪聲來(lái)源以及如何降噪
由于氣隙磁場(chǎng)不僅有基波而且還有一系列高次諧波存在，這些磁場(chǎng)相互作用將產(chǎn)生周期性的作用力，基波及高次諧波電磁力均會(huì)引起振動(dòng)及噪聲。
電磁聲頻率分布大多在100-4000Hz之間。振動(dòng)及噪聲強(qiáng)度的大小與電磁力的大小和定子、轉(zhuǎn)子剛度有關(guān)。當(dāng)激發(fā)振動(dòng)的電磁力與振動(dòng)的零部件的自振頻率相吻合時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生共振，振動(dòng)及噪聲也將顯著增加。電磁力有徑向分量和切向分量，電磁力徑向分量在引起電機(jī)振動(dòng)及噪聲方面起主要作用，它使定子鐵心產(chǎn)生徑向振動(dòng)，徑向振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲為電機(jī)電磁噪聲的主要成分。在采用單數(shù)槽轉(zhuǎn)子沖片時(shí)，槽致噪聲成為電磁噪聲的最主要部分。電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，單數(shù)槽的轉(zhuǎn)子鐵芯周期性地受到單邊磁拉力的變化所產(chǎn)生的，其原因可通過(guò)圖一來(lái)解釋。
在圖(a)中，上磁極極弧下覆蓋三個(gè)轉(zhuǎn)子槽，而下磁極極弧只覆蓋兩個(gè)轉(zhuǎn)子槽，此時(shí)上部磁拉力大，下部磁拉力小，使定子鐵芯有向上移動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)半個(gè)槽距后，則如圖(b)所示，此時(shí)下磁極極弧覆蓋了三個(gè)轉(zhuǎn)子槽，而上磁極極弦只覆蓋了兩個(gè)轉(zhuǎn)子槽，此時(shí)的磁拉力情況起了變化，下部磁拉力大，上部磁拉力小，因此定子鐵芯有向下移動(dòng)的趨勢(shì)。所以在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，定子鐵芯產(chǎn)生周期性的上下振動(dòng)。同理，轉(zhuǎn)子受到了周期性變化的單邊磁拉力，從而引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)。
采用雙數(shù)槽轉(zhuǎn)子時(shí)，不會(huì)發(fā)生上述情況，但轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)槽位變化，在氣隙中造成脈振磁場(chǎng)，也可能引起振動(dòng)。
展開(kāi) 集中繞組諧波優(yōu)化
但是由于集中繞組的跨距只能是所以失去了跨距調(diào)整這一自由度，如果設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有充分考慮到繞組的諧波情況，會(huì)造成電機(jī)反電勢(shì)波形不好，力矩波動(dòng)大的問(wèn)題。
由電機(jī)學(xué)的知識(shí)我們知道，反電勢(shì)的諧波是由磁鏈諧波而來(lái)，磁鏈諧波由兩個(gè)構(gòu)成因素，一個(gè)是主極磁場(chǎng)的諧波，另一個(gè)是磁導(dǎo)諧波，這兩個(gè)因素共同形成了磁鏈的諧波。如果一個(gè)電機(jī)的主極磁場(chǎng)含有某一特定的諧波，如 5 次諧波，而同時(shí)磁導(dǎo)諧波也含有 5 次諧波，那么就會(huì)形成比較明顯的 5 次的諧波磁鏈，在反電勢(shì)中造成 5 次諧波的問(wèn)題； 反之，如果磁導(dǎo)諧波不含有 5 次諧波，那么即使是主極磁場(chǎng)有 5 次諧波，反電勢(shì)的 5次諧波問(wèn)題也不會(huì)太嚴(yán)重。因此，為改善集中繞組的諧波，需要從主極磁場(chǎng)諧波和磁導(dǎo)諧波兩方面著手。下 面以2P3S 的單元電機(jī)構(gòu)成的6P9S 電機(jī)為例說(shuō)明。
1、主極磁場(chǎng)諧波
主極磁場(chǎng)由于磁極的空間對(duì)稱性，決定了不含有偶次諧波的特性，通常是1 次基波和 3，5，7，9，11……等諧波。對(duì) 于 3 相 繞 組，3，9，15等3的倍數(shù)次諧波會(huì)被消除，同時(shí)主磁極的尺度大，因此 5，7等比較低次的諧波就成為改善重點(diǎn)，采用的改善方法是：
a）使用 0.8 的極弧系數(shù)
b）轉(zhuǎn)子外形調(diào)整成花瓣形，造成非均勻氣隙
這兩個(gè)方法共同對(duì) 5，7 次等低次諧波進(jìn)行衰減。
2、磁導(dǎo)諧波
由于轉(zhuǎn)子沒(méi)有開(kāi)槽，因此我們認(rèn)為轉(zhuǎn)子的磁導(dǎo)為均勻的，定子開(kāi)槽是造成磁導(dǎo)諧波的主要原因，這些諧波稱為齒諧波。 對(duì)于 2P3S 的電機(jī)來(lái)說(shuō)，一階齒諧波是 2 次和 4 次，二階齒諧波是 5 次和7 次，三階齒諧波是 8 次和 10 次，四階齒諧波是 11 次和 13 次，更高階次的諧波類推。由于主極磁場(chǎng)不含偶數(shù)次諧波，因此一階和三階齒諧波就不需要考慮， 5，7，11，13 次才是考慮的重點(diǎn)。
展開(kāi) 商用電動(dòng)車用永磁同步電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲削弱方法
電機(jī)雙U型轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的永磁磁動(dòng)勢(shì)為
定子通入三相對(duì)稱電流時(shí)，定子電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)為
式中，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；t為時(shí)間，單位為s ；θ和?μ，3分別為轉(zhuǎn)子機(jī)械角度和磁動(dòng)勢(shì)初相角，單位均為rad；F￡和FR*s分別為vR次氣隙諧波磁勢(shì)幅值、 電機(jī)定子繞組所通三相正弦電流產(chǎn)生的諧波磁動(dòng)勢(shì)幅值，單位均為A；vR 、μ、vS分別為轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)諧波次數(shù)、 電機(jī)定子所通入三相正弦電流諧波次數(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。為考慮定子開(kāi)槽影響，等效氣隙磁導(dǎo)可近似為
式中，λ0和λkz分別表示氣隙平均磁導(dǎo)和氣隙k階齒諧波磁導(dǎo)幅值，單位均為H-1；kz表示齒諧波階數(shù)；Z表示定子槽數(shù)。將以上式子聯(lián)立，可得定子鐵心所受到徑向電磁力的詳細(xì)表達(dá)式：
式中，BRR表示vR次基本永磁諧波磁密幅值、B3Rk 表示vR次k階永磁齒諧波磁密幅值、B表示μ 次諧波電流所產(chǎn)生的的3次基本電樞反應(yīng)諧波磁密 幅值、
表示μ次諧波電流所產(chǎn)生的的VS次kZ階 電樞反應(yīng)齒諧波磁密幅值，以上單位均為T.
式(7 )中，根據(jù)磁場(chǎng)來(lái)源可分成三種，分別 為永磁磁場(chǎng)獨(dú)立作用于齒部產(chǎn)生的徑向電磁力、電樞反應(yīng)磁場(chǎng)獨(dú)立作用于齒部產(chǎn)生的徑向電磁力、兩者相互疊加于齒部產(chǎn)生的徑向電磁力％階數(shù)和頻率是徑向電磁力的重要特征，可由式(7 )展開(kāi)后輕易得出，從而分析出不同階數(shù)和頻率下的電磁力由哪些磁場(chǎng)相互疊加產(chǎn)生.表2為齒磁導(dǎo)為一階、忽略電樞諧波電流時(shí)，徑向電磁力的階數(shù)和頻率分布.
展開(kāi) 從電磁力波到噪聲：工程師如何"扼殺"電機(jī)的刺耳聲音？
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。
當(dāng)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(huì)引起定子或者定子鐵心共振，從而導(dǎo)致高的電磁噪聲。
解決電磁噪聲問(wèn)題，首先要準(zhǔn)確分析和計(jì)算電磁力波。通過(guò)修改電機(jī)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(shè)計(jì)低噪聲電機(jī)最有效的方法。
iEmSim中“電磁穩(wěn)態(tài)(網(wǎng)絡(luò)路法)”可以快速計(jì)算電磁力及其諧波，電磁力顯示形式包括：空間圖、時(shí)空?qǐng)D、頻域圖、曲線圖、云圖、柱狀圖、數(shù)據(jù)表格、理論解析式說(shuō)明表單、結(jié)論表單、動(dòng)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(gè)氣隙磁力密度諧波，圖9中每個(gè)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(gè)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(duì)的對(duì)應(yīng)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(hào)。通過(guò)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(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)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(duì)電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲分析基本準(zhǔn)則有詳細(xì)總結(jié)和闡述。
展開(kāi) 多源激勵(lì)下電機(jī)-減速器一體化系統(tǒng)NVH的研究
2.1 永磁同步電機(jī)電磁力分析
永磁同步電機(jī)是通過(guò)定子繞組電流產(chǎn)生的氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。氣隙磁場(chǎng)中，同時(shí)也產(chǎn)生作用于定子鐵芯內(nèi)部的電磁力波，通過(guò)傳遞引起整個(gè)鐵芯與殼體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，并向外輻射電磁噪聲。筆者采用8級(jí)48槽永磁同步電機(jī)，采用雙“一”字形永磁體結(jié)構(gòu)的電磁方案。
永磁同步電機(jī)在正弦波供電條件下，忽略定子鐵芯磁阻和磁路飽和的影響，電機(jī)中氣隙磁密的解析式為：
B(θ,t)=f(θ,t)·Λ(θ,t)
(1)
式中:f(θ,t)—?dú)庀洞磐芏龋籪(θ,t)—總氣隙磁動(dòng)勢(shì)；Λ(θ,t)—?dú)庀洞艑?dǎo)。
正弦波三相平衡供電作用下，三相永磁同步電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)的時(shí)間空間分布可分為轉(zhuǎn)子側(cè)與定子側(cè)，分別如下：
(2)
(3)
式中：f1(θ,t)—轉(zhuǎn)子側(cè)磁動(dòng)勢(shì)空間分布；f2(θ,t)—定子側(cè)磁動(dòng)勢(shì)空間分布；fυ,fμ—諧波峰值；ν—轉(zhuǎn)子空間諧波次數(shù)；μ—定子的空間諧波次數(shù)；ω—輸入電流脈動(dòng)，ω=2πf；p—電機(jī)極對(duì)數(shù)；φ—定轉(zhuǎn)子諧波矢量之間諧波夾角。
根據(jù)式(1～3)，可以得出正弦激勵(lì)下電機(jī)氣隙磁密為：
B(θ,t)=[f1(θ,t)+f2(θ,t)]·Λ(θ,t)
(4)
由式(4)可以看出：在各種磁場(chǎng)共同作用下，氣隙磁密有較為復(fù)雜的諧波成分。空間極對(duì)數(shù)較低的徑向電磁力對(duì)電磁振動(dòng)起主要作用；同時(shí)，空間諧波次數(shù)較低的徑向電磁力主要由永磁體u次徑向諧波磁場(chǎng)與電樞反應(yīng)υ次徑向諧波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生。
對(duì)氣隙磁通密度分解，可得到徑向氣隙磁通量密度、切向氣隙磁通量密度。根據(jù)麥克斯韋定律，可以得到單位面積徑向電磁力和單位面積切向電磁力，即：
(5)
式中：μ0—真空磁導(dǎo)率；Br—徑向氣隙磁通密度；Bt—切向氣隙磁通密度；Fr—單位面積徑向電磁力；Ft—單位面積切向電磁力。
展開(kāi) 
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（二）永磁同步電機(jī)力波和NVH分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討
培訓(xùn)內(nèi)容
電機(jī)在運(yùn)行過(guò)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，使得定子鐵心和機(jī)座發(fā)生與徑向力同頻率的振動(dòng)，導(dǎo)致變形。當(dāng)徑向力的頻率接近電機(jī)的固有頻率時(shí)，則會(huì)發(fā)生共振，引起較大的振動(dòng)及噪聲。所以需要深入研究徑向力波的時(shí)間空間諧波。
本研討會(huì)將對(duì)電磁力的力波進(jìn)行深入研究和分析，然后針對(duì)一款電機(jī)進(jìn)行NVH的仿真分析，從振動(dòng)加速度和模態(tài)定位出共振的電磁力時(shí)空特性，為電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化鎖定目標(biāo)；最后我們?yōu)榇蠹曳窒砘镜慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化思路和方法，為學(xué)員們的電磁減噪提供思路。
培訓(xùn)大綱：
? 概述
? 電磁力諧波原理分析
? 電磁力空間和時(shí)間諧波分析
? 電磁場(chǎng)力波的仿真結(jié)果分析
? 一款永磁同步電機(jī)NVH仿真分析
? 針對(duì)NVH的電磁力波結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法探討
課程對(duì)象
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
培訓(xùn)時(shí)間
7月21日19:30
主講講師簡(jiǎn)介
陳天贈(zèng)
高級(jí)電磁技術(shù)經(jīng)理
2009年進(jìn)入上海電氣從事電氣設(shè)計(jì)工作，2012年進(jìn)入上海海立電器有限公司從事電機(jī)設(shè)計(jì)工作，2017年加入IDAJ中國(guó)負(fù)責(zé)電磁仿真技術(shù)工作。曾負(fù)責(zé)多個(gè)電機(jī)開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目，包括感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作，對(duì)永磁同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)的電磁仿真、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、工藝等有較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，使用JMAG電磁仿真軟件多年，申請(qǐng)電機(jī)相關(guān)專利一項(xiàng)。
展開(kāi) 壓縮機(jī)噪音故障經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，不錯(cuò)。。。
在電動(dòng)機(jī)中，電磁噪聲是由定、轉(zhuǎn)子間的氣隙中諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力波，引起定子與轉(zhuǎn)子的振動(dòng)而產(chǎn)生的。
主電機(jī)噪聲要減小電磁噪聲，就必須使用戶電源電壓穩(wěn)定，并且提高電動(dòng)機(jī)的制造及裝配精度。
三、油氣罐噪聲
螺桿壓縮機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中做周期性的吸排氣，再加上內(nèi)、外壓縮比的不匹配，容易產(chǎn)生氣流脈動(dòng)，氣流脈動(dòng)通過(guò)排氣管道傳入油氣罐，誘發(fā)流體動(dòng)力性噪聲。
油氣罐的噪聲可通過(guò)衰減排氣脈動(dòng)壓力，在排氣出口處安裝氣流脈動(dòng)衰減器，可以衰減氣流脈動(dòng)或者加設(shè)排氣緩沖器，緩沖器容積愈大，聲頻率愈低，降低的噪聲愈多。不過(guò)在實(shí)際使用中難度較大，很少采用。
四、管路系統(tǒng)
管路系統(tǒng)的噪音，主要是帶壓氣體的摩擦管路，或突然降壓排空引起周圍氣體的擾動(dòng)所產(chǎn)生的噪音。
閥門的噪音主要由于以下幾方面原因：
止回閥振動(dòng)所產(chǎn)生的噪音；
閥座上落入異物；
閘板閥泄漏。
止回閥振動(dòng)產(chǎn)生的噪音主要來(lái)自于升降式的止回閥，一般在壓縮機(jī)和泵的出口都安有止回閥，其目的是在停壓縮機(jī)和泵時(shí)，防止高壓氣體和液體倒回系統(tǒng)。
五、加卸載噪聲
壓縮機(jī)加載工作時(shí)，進(jìn)氣閥開(kāi)啟，氣流被吸入主機(jī)壓縮，壓縮過(guò)程產(chǎn)生的噪聲以聲波的形式從進(jìn)氣口輻射出來(lái)，這樣便產(chǎn)生了進(jìn)氣噪聲。壓縮機(jī)的進(jìn)氣口噪聲呈明顯的高頻特性，噪聲的強(qiáng)度隨著負(fù)荷的增加而增大。另外，進(jìn)氣口噪聲與主機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣閥的通徑大小，閥門結(jié)構(gòu)等有關(guān)。
卸載時(shí)發(fā)出嗡嗡的噪音，是正常的卸載放氣聲音。如果是異常的噪音并有振動(dòng)的現(xiàn)象，就要檢查主機(jī)、主電機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)的軸承。
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展開(kāi) 車用永磁同步電機(jī)NVH 性能的優(yōu)化
電磁噪聲主要是由定、轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生隨時(shí)間和空間變化的電磁力諧波，該電磁力諧波作用到定子殼體上，當(dāng)電磁力諧波頻率與定子總成的固有頻率相同或接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振并輻射噪聲。機(jī)械噪聲主要是由于電機(jī)部件摩擦（如軸承）、幾何形狀不規(guī)則（如轉(zhuǎn)子不平衡）等產(chǎn)生的噪聲，機(jī)械噪聲一般隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載電流的增加而變大。空氣動(dòng)力噪聲是氣體在電機(jī)散熱系統(tǒng)中產(chǎn)生的渦流噪聲和笛鳴噪聲。其中，電磁噪聲對(duì)電機(jī)NVH 性能的影響最大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予慎重考慮。
2 電磁噪聲的性能優(yōu)化
1）適當(dāng)增大氣隙長(zhǎng)度。若將氣隙長(zhǎng)度由δ1 增加至δ2，則以分貝表示的聲功率級(jí)之差參考如下公式：Lω1-Lω2=40lg（P1/P2）=40lg（δ1/δ2）。如圖1 所示，某款電機(jī)將氣隙由0.6 mm 增加至0.8 mm 后，60 階噪聲減小10 dB 以上。要注意的是：隨著氣隙長(zhǎng)度的增加，在噪聲降低的同時(shí)，電機(jī)最大扭矩及效率也會(huì)有所降低，故要合理增大氣隙長(zhǎng)度以更好地平衡電機(jī)性能與噪聲。
圖1 某電機(jī)氣隙加大前后噪聲對(duì)比
圖2 優(yōu)化前后諧響應(yīng)振動(dòng)（mm）及噪聲（dB）對(duì)比
2）合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。合理地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠降低電磁場(chǎng)中的諧波成分，以減小徑向電磁力諧波及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。如圖2 所示，某電機(jī)定子方案不變，將轉(zhuǎn)子由直極改為斜極，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子沖片及永磁體的形狀進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后電機(jī)的諧響應(yīng)振動(dòng)及噪聲值均有明顯改善。
3）調(diào)整定子總成的固有頻率。
展開(kāi) 純電動(dòng)汽車動(dòng)力懸置系統(tǒng)匹配要點(diǎn)
(2)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子氣隙中的電磁力作用產(chǎn)生的電磁振動(dòng)，該振動(dòng)激勵(lì)與電機(jī)氣隙內(nèi)諧波磁場(chǎng)及由此產(chǎn)生的電磁力幅值、頻率、極對(duì)數(shù)以及定子本身的固有特性有關(guān)。
(3)定、轉(zhuǎn)子偏心引起的振動(dòng)，該激勵(lì)是由于加工和裝配精度不夠引起的；
(4)現(xiàn)階段，電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常都會(huì)配有一個(gè)齒輪箱，一般是固定速比變速器或者是具有2 到3 個(gè)檔位的機(jī)械式變速器，齒輪箱的制造精度和裝配精度不夠，也會(huì)引起整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的振動(dòng)，這一點(diǎn)在電機(jī)高速工作時(shí)更為突出。
(5)電機(jī)輸出扭矩的反作用簡(jiǎn)諧扭矩。
(6)車輛加速、制動(dòng)和急轉(zhuǎn)彎等形式工況帶來(lái)的慣性力。
(7)路面不平度引起的激勵(lì)。
(8)傳動(dòng)軸的2階激勵(lì)。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力總成的激勵(lì)來(lái)源除了外部激勵(lì)（6）（7）和（8）等與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)基本一致之外，其他內(nèi)部激勵(lì)源是完全不同的，因此在分析懸置系統(tǒng)在不同受力工況下的有效性時(shí)，需要與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的分析方法區(qū)別對(duì)待。
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性 圖2電機(jī)的扭矩特性
圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡引起的激勵(lì)
圖2是某電動(dòng)車裝備的交流異步電機(jī)的恒電壓恒功率控制下的外特性曲線，與發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性（圖1）有著明顯的差異。在額定轉(zhuǎn)速下，電機(jī)恒扭矩輸出，且電機(jī)的瞬間（不超過(guò)20ms）啟動(dòng)輸出扭矩可以達(dá)到很大，使得電動(dòng)車可以快速起步。在不超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的行駛工況下，由于轉(zhuǎn)速不是很高，電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡離心力和力矩（如圖3）帶來(lái)的車輛振動(dòng)很小，基本可以不考慮，這一階段的主要激勵(lì)來(lái)源于輸出簡(jiǎn)諧扭矩（中低頻），此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以最大“恒”轉(zhuǎn)矩進(jìn)行動(dòng)力輸出，對(duì)于橫向前置前驅(qū)的動(dòng)力總成，該扭矩作用在動(dòng)力總成坐標(biāo)的Y 軸上。
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