電機結構的案例
研究與設計|抑制開關磁阻電機振動的結構設計研究
近年來，通過設計電機結構來抑制轉矩脈動的應用越來越廣泛。文獻[3]提出了一種新的定子結構，通過構造不均勻氣隙來抑制電機的轉矩脈動。文獻[4]通過對轉子兩側開槽來降低電機振動。文獻[5]通過采取轉子T型齒的方法，減小徑向力積分面積，從而減小轉矩脈動和徑向力。文獻[6]通過在轉子一側開一個V形槽口，將槽口開口對著旋轉方向來減小轉矩脈動。文獻[7]設計了一種轉子斜槽結構的電機，通過驗證證明了斜槽結構對轉矩脈動起到了很好的抑制效果。文獻[8]通過改變定子轉子的極靴結構來改善邊緣磁通，從而抑制了電機的轉矩脈動。文獻[9]研究了一種新型的轉子齒形，在轉子兩側增加了半橢圓型的輔助鐵心，從根源上解決了由于雙凸極引起的局部飽從而減小了轉矩脈動。文獻[10]通過定子開槽以及定子添加極靴有效地降低電機的轉矩脈動以及徑向力。文獻[11]通過在轉子極身打孔以及定子增加鍥形角，減小了定轉子之間的轉矩突變，從而減小轉矩脈動。
為了減小SRM的電磁振動，本文主要從電機的結構入手，同時分析抑制轉矩脈動以及徑向力，在傳統SRM基礎上，提出了一種新的電機結構。通過在電機轉子內兩側開孔以及定子開槽的組合結構，對比分析得出，在保持電機平均轉矩基本不變的情況下，轉矩脈動下降，徑向力最大幅值下降，可為后續SRM振動抑制的研究提供了理論依據。
1 電機振動分析
電機在正常運轉過程中，產生的電磁力可以分為兩部分，一部分為徑向電磁力，另一部分為切向電磁力。
其中，電機定轉子間的徑向電磁力會導致電機定子橢圓形變，切向電磁力則會產生輸出轉矩，結構的特性使得徑向力與轉矩脈動波動，產生了電磁振動。
定子的振動主要是因為徑向力突變引起的，當定轉子齒重疊時就會產生徑向力，完全重疊時，徑向力則為最大。隨著電機運轉，徑向力的突變導致定子變形，從而產生振動。
展開 【4月19-22日 無錫】ANSYS Workbench電機結構強度、模態、振動仿真實例
背景
電機結構設計的基本內容包括四個方面，一是確定電機的防護形式、軸承型式和數目、軸伸型式和數目、安裝方式和冷卻系統等；二是確定電機某零部件具體的結構型式、形狀和具體尺寸，使用的材料；三是確定電機機械聯接的零部件之間的聯接方式；四是核算電機零部件的機械性能，包括強度、剛度、變形等的計算；而這幾部分內容之間是有相互關系和相互影響，需要電機結構工程師考慮充分及計算結構強度等問題準確，計算結構相關問題準確往往需要使用當下有限元等仿真方法。
先進的仿真平臺ANSYS Workbench是能實現結構靜力學、模態、諧響應、振動等仿真，Workbench獨特的項目圖形化界面把整個仿真過程緊密結合在一起，完成復雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結構等物理場相互耦合分析產品，可以在產品設計階段就能減少產品問題。特舉辦“ANSYS Workbench電機結構強度、模態、振動仿真實例”培訓。詳情請參見第四部分“內容大綱”。
時間地點
時間：2019年4月19日-4月22日（第一天報到，授課3天）
地點：江蘇*無錫
主講專家
該課程講師，具有13年電機設計及仿真分析經驗，具備電機結構及電磁等多物理場耦合仿真分析能力，一直對外提供技術咨詢服務，具有扎實的數值計算理論基礎；熟練掌握ANSYS EM、Workbench、Matlab等軟件。培訓40多場次，學員上千人。
內容大綱
報名費用
標準費用：3980元/人，食宿可統一安排，費用自理。
展開 爆破工況下轉速產生離心力對電機結構件的影響
高速電機結構件需要進一步分析確認，本文分析了在爆破轉速工況下，轉速產生離心力對電機結構的影響，由于爆破工況下材料進入屈服至破裂，所以需要設置材料非線性即其應力應變曲線。分析計算之后進一步積累數據形成標準可通過仿真確定其爆破轉速，降低試驗成本。
電機NVH結構仿真 | 硅鋼片層疊效應對電機模態的影響
南京安世亞太公司
電機的定子結構通常是硅鋼片層疊而成，在研究定子動力特性的時候，材料本構的定義對分析結果無疑是非常重要的。將定子的本構模型考慮為各向同性材料還是橫觀各向同性材料，它們對分析結果的影響又是什么樣的？這是值得思考的問題。
橫觀各向同性材料
電機結構的定子或轉子一般由硅鋼片層疊而成，在電機的動力學分析實踐中，工程師往往會把硅鋼片層疊結構的本構模型簡化為各向同性，也就是忽略了層疊效應。相比各向同性，橫觀各向同性本構模型更符合硅鋼片結構的實際情況。設定子層疊方向標記為1，其它兩個方向標記為2和3，則6個材料參數如下，由于G23可由E2(E3)和v23推導得出，所以獨立的材料參數為5個。
在Workbench中的材料參數設置
設層疊方向為X，假設硅鋼材料本身的彈性模量是200GPa，假設層疊方向的彈性模量為150GPa，假設各個方向的泊松比都為0.3，硅鋼材料剪切模量Shear Modulus YZ可按各向同性材料公式計算，其它兩個剪切模量假設為0.9倍硅鋼剪切模量。（材料參數來源于論文數據）
橫觀各向同性本構
設硅鋼的彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。
展開 
電機NVH結構仿真 | 硅鋼片層疊效應對電機模態的影響
電機的定子結構通常是硅鋼片層疊而成，在研究定子動力特性的時候，材料本構的定義對分析結果無疑是非常重要的。將定子的本構模型考慮為各向同性材料還是橫觀各向同性材料，它們對分析結果的影響又是什么樣的？這是值得思考的問題。
橫觀各向同性材料
電機結構的定子或轉子一般由硅鋼片層疊而成，在電機的動力學分析實踐中，工程師往往會把硅鋼片層疊結構的本構模型簡化為各向同性，也就是忽略了層疊效應。相比各向同性，橫觀各向同性本構模型更符合硅鋼片結構的實際情況。設定子層疊方向標記為1，其它兩個方向標記為2和3，則6個材料參數如下，由于G23可由E2(E3)和v23推導得出，所以獨立的材料參數為5個。
在Workbench中的材料參數設置
設層疊方向為X，假設硅鋼材料本身的彈性模量是200GPa，假設層疊方向的彈性模量為150GPa，假設各個方向的泊松比都為0.3，硅鋼材料剪切模量Shear Modulus YZ可按各向同性材料公式計算，其它兩個剪切模量假設為0.9倍硅鋼剪切模量。（材料參數來源于論文數據）
橫觀各向同性本構
設硅鋼的彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。
展開 混合式永磁同步電機轉子磁路結構研究
結合同步磁阻電機的研究成果分析可知，對于中小型永磁磁阻電機，其轉子磁障層數為二層或三層較為合理。如果繼續增加磁障層數，一方面電機加工工藝難度增加；另一方面因磁路飽和程度加劇，磁體的利用率將下降，對電機輸出轉矩提升的輔助作用有限。如果減少為單層磁障，與普通永磁電機相似，很難大幅度提升電機的凸極性，進而較好地利用電機的磁阻轉矩。因此，本文以二層及三層磁障結構為例，對電機磁障結構開展分析研究，總結各結構參數對相同體積下，電機最大輸出轉矩能力的影響程度，進而得到相應的設計方法。
對于同步磁阻電機而言，較為常見的轉子磁路結構可分為“C”形磁路結構和“U”形磁路結構兩大類別。本文利用同步磁阻電機的設計方法，在保證“C”形和“U”形磁障結構的極弧系數、磁障深度、磁障寬度等參數一致的前提下，優化兩個方案的輸出轉矩，兩者輸出同樣的轉矩時，考察兩者的磁密分布。
三層磁障的永磁同步磁阻電機，磁障中不插入永磁體時可視為同步磁阻電機來進行分析，其“U”形與“C”形磁障結構及轉子磁密分布如圖2所示。
(a) “U”形磁障結構
(b) “U”形磁障結構
圖2 轉子磁密分布
由兩種結構的磁密分布分析可見，兩種方案下，轉子磁密分布狀況接近，“U”形磁障結構的轉子磁密飽和程度略高，“C”形磁障結構下，磁障間隔內硅鋼片的磁密分布均勻性略好，具備插入永磁體后進一步優化設計及提升轉矩密度的潛力。另外，“C”形磁障與“U”形磁障相比，在磁障深度、極弧系數一致時，可插入更多的永磁體，通過進一步優化設計磁障形狀，調整交直軸磁路面積來充分利用磁阻轉矩，進而提升電機的功率密度。
在磁障中插入永磁體后，通過分析可知，當電機其他結構參數不變時，為了安裝同樣的磁體，“U”形磁障將增大，磁障之間的局部飽和程度將進一步增加，其產生輸出轉矩的能力提升空間有限。
展開 混合式永磁同步電機轉子磁路結構研究
因此，考慮開展混合式永磁磁阻電機的設計，即在永磁磁阻電機的轉子磁路結構中，使用鐵氧體永磁體和釹鐵硼稀土永磁體兩種材料，提升電機永磁轉矩比例，進而提升永磁同步電機的轉矩密度。同時，利用鐵氧體與釹鐵硼溫度系數相反的特性，提高該類電機高溫下的性能，降低退磁風險。
以常見的鐵氧體及釹鐵硼永磁體為例，兩者的性能數據如表3所示。
表3 典型鐵氧體與釹鐵硼永磁體性能對比
考慮永磁體的加工工藝，鐵氧體永磁材料易加工成弧形結構，而釹鐵硼稀土永磁材料則更適合加工為長方體結構。因此，混合式永磁磁阻電機更適合使用“C”+“V”結構或“C”+“一”結構。本文在所研制電機的首層磁障中添加釹鐵硼永磁體，為尋求使用最少永磁體，得到最大輸出轉矩的最優化設計，研究了三層“C”+“一”形結構、三層“C”+“V”形結構及兩層“C”+“V”形結構的混合式永磁磁阻電機，模型示意及計算結果如圖7所示。為降低電機制造成本，各層磁障內部材料未做特殊說明的均為鐵氧體磁材。
圖7 三層“C”+“一”形磁障結構模型
圖8(a)～圖8(c)分別展示了在第一層磁障中添加空氣、鐵氧體、釹鐵硼時電機的磁密分布。圖8(d)為不同磁障填充材料對應的電機最大輸出轉矩。可見，首層磁障中添加不同的材料時，雖然磁障面積很小，但對電機最大輸出轉矩仍然有較為明顯的影響，轉矩的變化范圍達到約11 N·m。因此，可考慮在第一層磁障中使用釹鐵硼永磁體來提升電機的轉矩密度。
展開 混合式永磁同步電機轉子磁路結構研究
因此，考慮開展混合式永磁磁阻電機的設計，即在永磁磁阻電機的轉子磁路結構中，使用鐵氧體永磁體和釹鐵硼稀土永磁體兩種材料，提升電機永磁轉矩比例，進而提升永磁同步電機的轉矩密度。同時，利用鐵氧體與釹鐵硼溫度系數相反的特性，提高該類電機高溫下的性能，降低退磁風險。
以常見的鐵氧體及釹鐵硼永磁體為例，兩者的性能數據如表3所示。
表3 典型鐵氧體與釹鐵硼永磁體性能對比
考慮永磁體的加工工藝，鐵氧體永磁材料易加工成弧形結構，而釹鐵硼稀土永磁材料則更適合加工為長方體結構。因此，混合式永磁磁阻電機更適合使用“C”+“V”結構或“C”+“一”結構。本文在所研制電機的首層磁障中添加釹鐵硼永磁體，為尋求使用最少永磁體，得到最大輸出轉矩的最優化設計，研究了三層“C”+“一”形結構、三層“C”+“V”形結構及兩層“C”+“V”形結構的混合式永磁磁阻電機，模型示意及計算結果如圖7所示。為降低電機制造成本，各層磁障內部材料未做特殊說明的均為鐵氧體磁材。
圖7 三層“C”+“一”形磁障結構模型
圖8(a)～圖8(c)分別展示了在第一層磁障中添加空氣、鐵氧體、釹鐵硼時電機的磁密分布。圖8(d)為不同磁障填充材料對應的電機最大輸出轉矩。可見，首層磁障中添加不同的材料時，雖然磁障面積很小，但對電機最大輸出轉矩仍然有較為明顯的影響，轉矩的變化范圍達到約11 N·m。因此，可考慮在第一層磁障中使用釹鐵硼永磁體來提升電機的轉矩密度。
展開 電機殼體冷卻結構設計及熱仿真分析
驅動電機殼體冷卻通道結構設計
針對熱量在電機內部的傳遞方式，本文設計了一款螺旋式冷卻結構的電機殼體，其結構如圖2所示。
PMSM電機結構及控制原理
永磁同步電機 (PMSM) 和感應電機之間的主要區別在于轉子。研究表明 PMSM 的效率比高效（IE3）感應電動機高約 2%，前提是定子具有相同的設計，并使用相同的變頻驅動器進行控制。 在這種情況下，永磁同步電動機與其他電動機相比具有最佳性能：功率/體積、扭矩/慣量等。
永磁同步電機結構和類型
永磁同步電機與任何旋轉電機一樣，由轉子和定子組成。 定子是固定部分。 轉子是旋轉部件。
內置式永磁同步電機
通常，轉子位于電動機的定子內部，也有帶有外轉子的結構-內向外電動機。
永磁同步電機構型：左邊：內轉子；右邊：外轉子
轉子由永磁體組成。 具有高矯頑力的材料用作永磁體。
根據轉子設計，同步電機分為：
帶有凸極轉子的電動機；
帶有非凸極轉子的電動機。
具有非凸極轉子的電動機具有相等的直軸和交軸電感 Ld = Lq，而對于具有凸極轉子的電動機，交軸電感不等于直軸Lq ≠ Ld。
具有不同 Ld/Lq 比率的轉子的橫截面。磁鐵標記為黑色。圖 e、f 顯示軸向分層轉子，圖 c 和 h 顯示帶有屏障的轉子。
另外，根據轉子的設計，永磁同步電機分為：
表面永磁同步電機；
內置永磁同步電機。
定子由外框和帶繞組的鐵芯組成。 最常見的兩相和三相繞組設計。
根據定子設計，永磁同步電機可以：
分布式繞組；
集中繞組。
定子集中繞組
定子分布式繞組
分布式調用這樣的繞組，其中每極和每相的槽數 Q = 2, 3, ...., k。集中稱為這種繞組，其中每極和每相的槽數 Q = 1。在這種情況下，槽均勻地分布在定子的圓周周圍。
展開 一篇全解：電機的旋轉原理、結構、類型、故障排除
直流電機 VS 交流電機
1、直流、交流電機區別
直流電機結構示意圖
交流電機結構示意圖
（1）電源方式不同：
直流電機：使用直流電做為電源；
交流電機：使用交流電做為電源。
（2）結構上不同：
直流電機的原理相對簡單，但結構復雜，不便于維護。而交流電機原理復雜但結構相對簡單，而且比直流電機便于維護。
直流電動機
（3）價格上不同：
功率相同的直流電機高于交流電機，包括控制速度的調速裝置也是直流調速裝置高于交流調速裝置的價格，當然結構和維護也有很大的差異。
展開 
新能源汽車驅動電機電磁噪聲仿真與應用
作為汽車上主要噪聲源之一的發動機被電機替代，主要噪聲來源和噪聲頻譜特性也發生了改變：
圖2 燃油車和電動車噪聲頻譜圖
從頻譜圖上可以看出：
傳統的燃油車的噪聲問題：
主要噪聲能量集中在2000Hz以下；
主要噪聲與發動機階次相關，如發動機的2階，4階等；
存在潛在的共振問題，在低頻下會產生轟鳴聲Booming。
電動車的噪聲問題：
主要噪聲能量的頻率更高；
主要噪聲與電機階次相關，24階，48階等；
存在潛在的共振問題，在低頻下會產生轟鳴聲Booming；
存在高頻開關頻率噪聲。
與傳統的燃油車相比，沒有了發動機噪聲、進排氣噪聲，從總聲壓級上來說，較傳統的燃油車相比，會小一些，但是由于其存在著高頻的電機噪聲，會產生比較差的聲品質，影響車內乘客的乘坐舒適性，傳統燃油車和電動車噪聲的噪聲頻譜圖如下圖所示。
圖3 傳統燃油車和電動車噪聲頻譜圖對比
電機噪聲主要包括以下幾類：
圖4 電機主要噪聲源
電機電磁噪聲；該部分噪聲主要由電機的電機激勵引起的結構輻射噪聲。電機在正常工作情況下，由于轉子切割磁感線，使得電機定子及轉子端存在電磁力，從而激勵其定子振動，進而該振動通過定子傳遞到兩端蓋，進而向外輻射噪聲；
電機風扇噪聲；由于電機工作情況下，需要對其產生的熱量進行散熱，因此電機往往附帶有風扇對其進行冷卻，風扇在旋轉的過程中，葉片產生的氣動噪聲也直接向外輻射，影響整個電機的噪聲水平；
電機結構噪聲；電機轉子在正常工作情況下，由于結構動不平衡及偏心安裝、以及電機轉子端的電磁力會通過軸承傳遞給結構殼體，引起結構殼體振動，進而向外輻射噪聲。
展開 新能源汽車驅動電機電磁噪聲仿真與應用
作為汽車上主要噪聲源之一的發動機被電機替代，主要噪聲來源和噪聲頻譜特性也發生了改變：
圖2 燃油車和電動車噪聲頻譜圖
從頻譜圖上可以看出：
傳統燃油車的噪聲問題：
主要噪聲能量集中在2000Hz以下；
主要噪聲與發動機階次相關，如發動機的2階，4階等；
存在潛在的共振問題，在低頻下會產生轟鳴聲Booming。
電動車的噪聲問題：
主要噪聲能量的頻率更高；
主要噪聲與電機階次相關，24階，48階等；
存在潛在的共振問題，在低頻下會產生轟鳴聲Booming；
存在高頻開關頻率噪聲。
與傳統的燃油車相比，沒有了發動機噪聲、進排氣噪聲，從總聲壓級上來說，較傳統的燃油車相比，會小一些，但是由于其存在著高頻的電機噪聲，會產生比較差的聲品質，影響車內乘客的乘坐舒適性，傳統燃油車和電動車噪聲的噪聲頻譜圖如下圖所示。
圖3 傳統燃油車和電動車噪聲頻譜圖對比
電機噪聲主要包括以下幾類：
圖4 電機主要噪聲源
電機電磁噪聲：該部分噪聲主要由電機的電機激勵引起的結構輻射噪聲。電機在正常工作情況下，由于轉子切割磁感線，使得電機定子及轉子端存在電磁力，從而激勵其定子振動，進而該振動通過定子傳遞到兩端蓋，進而向外輻射噪聲；
電機風扇噪聲：由于電機工作情況下，需要對其產生的熱量進行散熱，因此電機往往附帶有風扇對其進行冷卻，風扇在旋轉的過程中，葉片產生的氣動噪聲也直接向外輻射，影響整個電機的噪聲水平；
電機結構噪聲：電機轉子在正常工作情況下，由于結構動不平衡及偏心安裝、以及電機轉子端的電磁力會通過軸承傳遞給結構殼體，引起結構殼體振動，進而向外輻射噪聲。
展開 車用永磁同步電機的電磁噪聲分析與抑制
文獻［5］建立電機定子簡化模型,將繞組作為附加質量計入定子齒部來進行電機結構有限元分析，研究表明當前力波頻率與模態頻率接近時會引起較大振動噪聲。文獻［6］研究了繞組結構和浸漆對定子模態的影響,建立不同的定子鐵心結構，研究表明未浸漆的繞組定子結構的固有頻率低于僅定子結構的固有頻率，浸漆后繞組定子結構的2、3、4階等低階徑向固有頻率均增加,0階固有頻率下降。文獻［7］通過仿真和試驗證明轉子結構對模態影響很小，建立電機三維仿真模型時可以忽略轉子結構。但高速電機或轉子軸承長的特殊電機需要考慮轉子結構對模型的影響&刃。文獻［10］認為機殼端蓋的質量效應要大于剛度效應，會降低電機固有頻率，對電機模態影響較大。
電磁力波和模態參數是影響電機電磁振動噪聲的兩個關鍵因素。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仿真模型分析電機結構的模態參數。為了有效抑制電磁噪聲,需要使電機的各階模態頻率遠離調速范圍內對應階次的電磁力波頻率［11'12］。本文從優化電機的電磁力波角度出發,對電機模態進行準確分析并采用優化方法抑制電磁噪聲。
1電磁力波分析
1.1 電機參數
本文以一臺商務車主驅動PMSM為研究對象，表1為電機的主要參數。
電機的轉子磁路采用內置式V形結構，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，從而產生隨時間
和空間周期性變化的電磁力波。
根據麥克斯韋張量法，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。
展開 【設計】混合式磁鋼轉子結構的電動車用永磁磁阻電機優化設計
與開關磁阻電機相比，同步磁阻電機在轉矩脈動、振動噪聲方面占據優勢，但其驅動電路需采用六橋臂逆變器，使同步磁阻電機控制成本更高、難度更大；在轉矩密度、效率及功率因數方面，同步磁阻電機較永磁同步電機存在差距；轉矩脈動過大問題也是限制同步磁阻電機在電動車驅動系統中應用的重要因素。
永磁磁阻電機是同步磁阻電機的一種改進形式。由于其轉矩密度和功率密度高、凸極比大、調速性能優異、效率高，且使用較少永磁體材料，成本低廉，近年來被廣泛應用于包含電動汽車在內的各個領域中。但永磁磁阻電機同樣存在轉矩脈動過大的問題。
至此，針對目前電動車用電機的稀土永磁成本過高的問題，本文提出了一種新型永磁磁阻電機，采用釹鐵硼和鐵氧體混合式磁鋼轉子結構。基于有限元仿真軟件JMAG，重點分析研究了新型永磁磁阻電機與原全釹鐵硼永磁同步電機在額定點轉矩、磁阻轉矩和凸極比上的差異。針對新型電機反電動勢諧波含量過高、轉矩脈動過大和轉矩輸出能力不足的問題，進一步提出一種切向混合式磁鋼轉子結構，分析優化了切向混合磁鋼比例和位置參數。最終得到的新型永磁磁阻電機同時具有較高輸出轉矩、低轉矩脈動、高凸極比和低廉的成本。
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