切向電磁力
關(guān)注創(chuàng)建者：聲學(xué)工程師小吳 創(chuàng)建時間：2023-06-19
切向電磁力的視頻教程
abaqus插件085-批量提取樁土相互作用節(jié)點(diǎn)接觸法向力切向力（2026-01-14）-mark
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abaqus腳本插件085-批量提取樁土相互作用接觸法向力和切向力（2025-12-18）-mark
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Maxwell電機(jī)磁密和電磁力的分析計算（三種方法，全網(wǎng)最全）
將計算得到的徑向力波考慮切向磁密和不考慮切向磁密的數(shù)據(jù)做了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)切向磁密對徑向電磁力波的計算結(jié)果影響不大；最后對比了徑向力波和切向力波的FFT，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，切向力波的最大值比徑向力波小很多；最后將電磁力波轉(zhuǎn)化為電磁力做了詳細(xì)介紹。
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切向電磁力的實例教程
其原因在于，整體考慮電機(jī)與減速器后，系統(tǒng)的振動特性發(fā)生改變，切向電磁力會對減速器產(chǎn)生影響，而且切向電磁力在固有頻率2000Hz和2400Hz處存在諧波分量。
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本教程演示了如何使用多相模型模擬軸承油膜潤滑。
啟動FLUENT并導(dǎo)入網(wǎng)格
第一步
在Windows系統(tǒng)下執(zhí)行“開始”→“所有程序”→ANSYS 2021→Fluid Dynamics→Fluent 2021命令，啟動Fluent 2021。
第二步
單擊主菜單中File→Read→Mesh命令，導(dǎo)入.msh網(wǎng)格文件。
定義模型
單擊命令結(jié)構(gòu)樹中General按鈕，彈出General（總體模型設(shè)定）面板。在Solver Time中選擇Steady。
設(shè)置材料
單擊主菜單中Setting Up Physics→Materials→
Create/Edit，彈出Create/Edit Materials（材料）對話框。創(chuàng)建新物質(zhì)，oil。
定義多相流模型
第一步
在模型設(shè)定面板Models中雙擊Multiphase按鈕，彈出Multiphase Model（多相流模型）對話框，選擇Mixture，單擊OK按鈕確認(rèn)并關(guān)閉對話框。
第二步
在模型設(shè)定面板Models中雙擊Multiphase下的Phases按鈕，彈出Phase（多相流設(shè)置）對話框，在Phase-1對話框中，Phase Material選擇oil，在Phase-2對話框中，Phase Material選擇air，單擊OK按鈕確認(rèn)并關(guān)閉對話框
展開 但是，轉(zhuǎn)子線性分段移位斜極產(chǎn)生的不平衡軸向電磁力會引起軸向竄動與扭振，軸承使用壽命降低，振動噪聲增大。因此，如何設(shè)計永磁轉(zhuǎn)子分段移位斜極的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、有效抑制軸向電磁力，已成為高品質(zhì)永磁電機(jī)研究的熱點(diǎn)問題。
本文以永磁同步電機(jī)軸向電磁力的理論為導(dǎo)向，基于三維電磁場的有限元軟件分析方法，對一臺48槽8極永磁同步電機(jī)進(jìn)行軸向電磁力仿真分析；揭示軸向電磁力產(chǎn)生的主要原因，以及軸向電磁力與永磁轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其分段數(shù)和定子電流幅值的關(guān)系；驗證V形反對稱、交叉反對稱永磁轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有效抑制軸向電磁力的機(jī)理，為高品質(zhì)永磁同步電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供了途徑。
1 轉(zhuǎn)子分段斜極軸向電磁力的產(chǎn)生機(jī)理
根據(jù)麥克斯韋張量法，永磁同步電機(jī)磁場產(chǎn)生的軸向電磁力Fz可以表示：
(1)
式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；Bz,Bθ和Br分別為轉(zhuǎn)子軸向、切向和徑向上的磁密；S1和S3為電機(jī)兩端面，S2為電機(jī)移位面。
由式(1)可知，軸向電磁力主要由端部漏磁引起的軸向電磁力和永磁轉(zhuǎn)子分段移位磁極間氣隙面漏磁產(chǎn)生的軸向電磁力兩部分組成，當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子分段移位斜極時，引起軸向磁場不對稱，產(chǎn)生不平衡軸向電磁力。
為深化軸向電磁力的產(chǎn)生機(jī)理分析，對一臺樣機(jī)運(yùn)行于額定工況時的繞組端部漏磁和永磁轉(zhuǎn)子分段移位磁極間移位面漏磁引起的軸向電磁力進(jìn)行仿真實驗，圖1和表1為樣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖和主要參數(shù)，假定水平方向為Z軸方向，坐標(biāo)原點(diǎn)為電機(jī)中心點(diǎn)。
展開 對氣隙磁通密度分解，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。
徑向電磁力是引起電機(jī)定子及殼體產(chǎn)生振動的主要因素；作用在定子鐵芯上的切向電磁力主要使得鐵芯齒部發(fā)生形變；鐵芯齒部寬度和剛度適當(dāng)時，切向電磁力對殼體和鐵芯的振動與噪聲貢獻(xiàn)量很小，可以忽略其影響[14]。
在三相正弦電流作用下，筆者分別對轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min進(jìn)行電磁力波分析。
通過對徑向電磁力波階次進(jìn)行分析，可得到不同轉(zhuǎn)速下徑向力波階次的分布，如圖2所示。
圖2 不同轉(zhuǎn)速下徑向力波階次分布
通過分析圖2可知：在不同轉(zhuǎn)速下，徑向力波階次分布相似，均為基波，8次、24次、48次諧波含量較大；其中，8次諧波為引起電磁振動的主要諧波。
以電機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000 r/min為例，轉(zhuǎn)子基頻f=50 Hz，電機(jī)極對數(shù)p=4，電機(jī)的電磁力峰值頻率是以轉(zhuǎn)子基頻的2np倍為主。定子齒槽受到的電磁力頻率主要為：8f(400 Hz)、16f(800 Hz)、24f(1 200 Hz)、48f(2 400 Hz)等。
2.2 機(jī)械激勵
動力總成內(nèi)部激勵是指減速器齒輪在嚙合過程中產(chǎn)生的動態(tài)激勵。齒輪嚙合過程中，由于傳遞誤差和時變嚙合剛度等因素，使得嚙合過程中產(chǎn)生振動，該振動通過軸承傳遞到動力總成殼體，從而引起振動與噪聲。
展開 1 電磁-機(jī)械-流體的耦合模型
1.1、電機(jī)電磁力啵的間隙模型
電機(jī)內(nèi)部氣隙處各階磁場相互作用，在定子齒部表面形成垂直于切面的徑向電磁力波和平行于切面的切向電磁力波。徑向電磁力波產(chǎn)生電磁振動，切向電磁力波形成電磁轉(zhuǎn)矩作用于定子齒部。電機(jī)內(nèi)部電磁場的分布確定之后，根據(jù)Ｍａｘｗｅｌｌ 張力公式，定子齒端表面的電磁力密度可以表示為:
式中:pr—徑向電磁力密度，Ｐa；pt—切向電磁力密度，Ｐａ；Ｂｒ—?dú)庀短帍较虼琶?，Ｔ；Ｂ?— 氣隙處切向磁密，Ｔ；μ０—真空磁導(dǎo)率。
電機(jī)氣隙處的切向磁密遠(yuǎn)小于徑向磁密，因而可以忽略切向磁密的作用。
展開 
切向電磁力的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
切向電磁力的最新內(nèi)容
電磁力可以分為切向電磁力和徑向電磁力。切向電磁力產(chǎn)生扭矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),主要作用是維持交變磁場的建立。徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度大于切向磁感應(yīng)強(qiáng)度，徑向電磁力不產(chǎn)生電磁力矩，徑向力大于切向力。徑向力波激勵定子結(jié)構(gòu)，定子結(jié)構(gòu)振動從而產(chǎn)生輻射噪聲，尤其徑向電磁力波的頻率與定子結(jié)構(gòu)模態(tài)一致時,輻射噪聲非常明顯。
齒頂切向力引起的振動
切向電磁力也是相當(dāng)重要的振動源之一，它作用在定轉(zhuǎn)子表面，如下圖所示和圓周相切的分類就是切向電磁力，和徑向電磁力一樣，切向電磁力也具備時空二相性。
切向力引起的振動和兩種振動模態(tài)有關(guān)，一種是定轉(zhuǎn)子的整體切向振動模態(tài)，一種是定子齒的局部振動模態(tài)。
電磁振動由電磁力產(chǎn)生，電磁力沿徑向和切向進(jìn)行分解可分為徑向電磁力和切向電磁力，切向電磁力會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動的產(chǎn)生，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動，進(jìn)而增加噪聲；徑向電磁力會作用在電機(jī)齒面上，引起電機(jī)機(jī)殼振動，并向外界輻射噪聲。
因為牽扯到電磁、聲、機(jī)械等多個物理場，對電磁振動及噪聲的研究一直是個難題。國內(nèi)外大量研究人員對其進(jìn)行了廣泛的研究。
對于本文的永磁有刷直流電機(jī)，徑向電磁力主要作用于永磁體上，根據(jù)式（1）、式（2）可以求得永磁體空氣側(cè)表面上的徑向和切向電磁力。忽略切向氣隙磁場可求得瞬時徑向電磁力為
式中：Frpm為瞬時徑向電磁力；Br(r,θ,t)為瞬時徑向氣隙磁場；μ0為自由空間的磁導(dǎo)率。
1 電機(jī)振動分析
電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，產(chǎn)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(jī)定轉(zhuǎn)子間的徑向電磁力會導(dǎo)致電機(jī)定子橢圓形變，切向電磁力則會產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)的特性使得徑向力與轉(zhuǎn)矩脈動波動，產(chǎn)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(dāng)定轉(zhuǎn)子齒重疊時就會產(chǎn)生徑向力，完全重疊時，徑向力則為最大。
電機(jī)的電磁根源問題分析具有非常復(fù)雜的機(jī)理，如果要更進(jìn)一步分析，還可進(jìn)行徑向磁場與切向磁場的干涉對電磁力的研究，消減某次諧波對電磁力的影響，切向電磁力與徑向電磁力在不同工況對噪聲的貢獻(xiàn)度等研究。
本文為作者在研究學(xué)習(xí)MANATEE軟件及電機(jī)電磁噪聲相關(guān)知識的經(jīng)驗總結(jié)，限于作者水平有限，如有不妥，敬請斧正。
結(jié)合電驅(qū)動系統(tǒng) NVH 特性研究成果可知，驅(qū)動電機(jī)振動噪聲來源多為徑向電磁力，研究人員經(jīng)常忽略電磁切向力所造成的影響。
徑向電磁力波產(chǎn)生電磁振動，切向電磁力波形成電磁轉(zhuǎn)矩作用于定子齒部。
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)振動及噪聲方面起主要作用，它使定子鐵心產(chǎn)生徑向振動，徑向振動產(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，槽致噪聲成為電磁噪聲的最主要部分。電機(jī)運(yùn)行過程中，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，其原因可通過圖一來解釋。
結(jié)合電驅(qū)動系統(tǒng) NVH 特性研究成果可知，驅(qū)動電機(jī)振動噪聲來源多為徑向電磁力，研究人員經(jīng)常忽略電磁切向力所造成的影響。即在使用一體化電驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)建模分析 NVH 特性展開研究時，研究人員需提高對電驅(qū)動系統(tǒng)整體耦合建模的關(guān)注度，以提高分析結(jié)果權(quán)威性與科學(xué)性。
