定子鐵心
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永磁同步電機(jī)力波和NVH分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討
，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。
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正文部分
電機(jī)鐵心是電機(jī)內(nèi)的關(guān)鍵部件，其性能的改善對(duì)電機(jī)整體性能的提升具有重要意義。永磁電機(jī)本身性能較為優(yōu)異，同時(shí)與一般的電機(jī)設(shè)計(jì)相比，再制造電機(jī)還受到原有鐵心結(jié)構(gòu)的限制，因此其性能難以提升。傳統(tǒng)電機(jī)鐵心材料一般選用冷軋硅鋼片，而非晶合金材料與硅鋼片相比，其加工過程更加環(huán)保，且具有更低的鐵心損耗，應(yīng)用于電機(jī)鐵心可以使電機(jī)鐵耗顯著降低，從而提高效率。
1 電機(jī)參數(shù)及混合疊壓方法
1.1 定子材料
原電機(jī)所用的硅鋼材料牌號(hào)為B35AV1900，所用非晶合金材料牌號(hào)為Metglas2605SA1。圖1為由湖南聯(lián)眾MATS-2010S軟磁測(cè)量裝置測(cè)得的硅鋼材料和非晶合金試樣的磁化曲線。對(duì)比兩者磁化曲線可知，硅鋼材料的飽和磁通密度（簡稱“磁密”）約為1.80 T，非晶合金的飽和磁通密度約為1.44 T，在相同磁場(chǎng)強(qiáng)度情況下，非晶合金對(duì)應(yīng)的磁通密度小于硅鋼材料的磁通密度。
圖1 硅鋼和非晶合金的磁化曲線
Fig.1 Magnetization curves of silicon steel and amorphous alloy
1.2 電機(jī)參數(shù)
以一臺(tái)8極48槽內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為例進(jìn)行定子混合疊壓再制造。電機(jī)的參數(shù)見表1。
表1 電機(jī)主要參數(shù)
Tab.1 Main parameters of motor
1.3 混合疊壓方法
受到原鐵心材料和結(jié)構(gòu)的限制，再制造的電機(jī)鐵心性能較差。利用性能優(yōu)異的非晶材料替換原鐵心，可以顯著降低鐵心的損耗，但非晶材料飽和磁密較小，且成本較高。通過合理選擇材料比例，將非晶材料與硅鋼材料組合使用，既能降低電機(jī)損耗、提升電機(jī)綜合性能，又能充分利用零部件，降低再制造成本。
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正文部分
電機(jī)鐵心是電機(jī)內(nèi)的關(guān)鍵部件，其性能的改善對(duì)電機(jī)整體性能的提升具有重要意義。永磁電機(jī)本身性能較為優(yōu)異，同時(shí)與一般的電機(jī)設(shè)計(jì)相比，再制造電機(jī)還受到原有鐵心結(jié)構(gòu)的限制，因此其性能難以提升。傳統(tǒng)電機(jī)鐵心材料一般選用冷軋硅鋼片，而非晶合金材料與硅鋼片相比，其加工過程更加環(huán)保，且具有更低的鐵心損耗，應(yīng)用于電機(jī)鐵心可以使電機(jī)鐵耗顯著降低，從而提高效率。
1 電機(jī)參數(shù)及混合疊壓方法
1.1 定子材料
原電機(jī)所用的硅鋼材料牌號(hào)為B35AV1900，所用非晶合金材料牌號(hào)為Metglas2605SA1。圖1為由湖南聯(lián)眾MATS-2010S軟磁測(cè)量裝置測(cè)得的硅鋼材料和非晶合金試樣的磁化曲線。對(duì)比兩者磁化曲線可知，硅鋼材料的飽和磁通密度（簡稱“磁密”）約為1.80 T，非晶合金的飽和磁通密度約為1.44 T，在相同磁場(chǎng)強(qiáng)度情況下，非晶合金對(duì)應(yīng)的磁通密度小于硅鋼材料的磁通密度。
圖1 硅鋼和非晶合金的磁化曲線
Fig.1 Magnetization curves of silicon steel and amorphous alloy
1.2 電機(jī)參數(shù)
以一臺(tái)8極48槽內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為例進(jìn)行定子混合疊壓再制造。電機(jī)的參數(shù)見表1。
表1 電機(jī)主要參數(shù)
Tab.1 Main parameters of motor
1.3 混合疊壓方法
受到原鐵心材料和結(jié)構(gòu)的限制，再制造的電機(jī)鐵心性能較差。利用性能優(yōu)異的非晶材料替換原鐵心，可以顯著降低鐵心的損耗，但非晶材料飽和磁密較小，且成本較高。通過合理選擇材料比例，將非晶材料與硅鋼材料組合使用，既能降低電機(jī)損耗、提升電機(jī)綜合性能，又能充分利用零部件，降低再制造成本。定子混合疊壓是將不同材料沿電機(jī)軸向間隔疊壓制成定子鐵心，規(guī)定相同材料的每段疊片段長度相等。
展開 通常為了進(jìn)一步降低定子繞組產(chǎn)生的損耗與端部用銅量，多采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，可以在一定程度上提升電機(jī)效率、降低成本。
1.3 定子制造
對(duì)于RFPM電機(jī)而言，為了降低定子鐵心損耗，通常用開槽的硅鋼片軸向疊壓制成定子鐵心，將繞組纏繞于定子齒上，利用槽楔對(duì)槽口進(jìn)行封閉，防止繞組脫落。
而AFPM電機(jī)定子制造方式多樣，比較常見的制造方式有兩種：利用全自動(dòng)沖卷機(jī)對(duì)定子卷繞制成；定子齒、定子軛與繞組三部分拼接而成。
圖4為卷繞定子鐵心模型。這種卷繞而成的定子鐵心損耗較小，但該結(jié)構(gòu)對(duì)繞組進(jìn)行繞制時(shí)，由于電機(jī)內(nèi)徑處空間狹小，繞組安裝較困難，且內(nèi)徑處電負(fù)荷較大，使得繞組溫度較高。圖5為拼接定子鐵心圖。先將繞組纏繞于定子齒部，再將多個(gè)定子齒與疊壓而成的定子軛拼接，形成定子部分。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是繞線方便，可減少繞組端部長度，同時(shí)可以降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)諧波；但定子齒為實(shí)體，導(dǎo)致其渦流損耗較大；該定子結(jié)構(gòu)由多個(gè)部件組成，裝配過程較復(fù)雜。
展開 先談一下什么情況下需要做鐵耗分析。對(duì)常規(guī)交流電機(jī)（同步或者異步電機(jī)），只有定子鐵心才會(huì)產(chǎn)生鐵耗，轉(zhuǎn)子鐵心是沒有鐵耗的，學(xué)過電機(jī)的人都明白的。因此，只需要對(duì)定子鐵心給出B-P曲線（也就是鐵損曲線）。注意，B-P曲線分為單頻和多頻兩種，能給出多頻損耗曲線最好，這樣maxwell算得準(zhǔn)些。設(shè)置完鐵損曲線以后，還要記得在excitations/set core loss，對(duì)定子鐵心勾選才行。此時(shí)，不需要給定子和轉(zhuǎn)子鐵心再施加電導(dǎo)率，這是初學(xué)者容易忽視的問題。后處理中，通過result/create transient reports/core loss查看鐵耗隨時(shí)間變化曲線。
再談一下什么情況下需要做渦流損耗分析。對(duì)永磁電機(jī)，永磁體受空間高次諧波的影響，會(huì)在表面產(chǎn)生渦流損耗；對(duì)實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)，由于是大塊導(dǎo)體，因此渦流損耗占絕大部分。以上兩種情況需要考慮做渦流損耗分析。現(xiàn)以永磁電機(jī)為例，具體闡述。對(duì)永磁體設(shè)置電導(dǎo)率，然后對(duì)每個(gè)永磁體分別施加零電流激勵(lì)源，在excitations/set eddy effect，對(duì)永磁體勾選。注意，若只考慮永磁體的渦流損耗，而不考慮電機(jī)其他部分（定轉(zhuǎn)子鐵心）的渦流損耗，則只需要給永磁體賦予電導(dǎo)率值，其他部件不需要賦電導(dǎo)率，這是初學(xué)者容易搞錯(cuò)的地方。簡而言之，只對(duì)需要考慮渦流損耗的部件，施加電導(dǎo)率，零電流激勵(lì)和set eddy effect。后處理中，通過results/create transient reports/retangular report/solid loss查看渦流損耗隨時(shí)間變化曲線。最后，再次強(qiáng)調(diào)一下，做渦流損耗分析，需要skin depth based refinement網(wǎng)格剖分才行。
以上方法，適用于Ansoft maxwell 13.0.0及以上版本，并適用于所有電機(jī)種類。
展開 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。
解決電磁噪聲問題，首先要準(zhǔn)確分析和計(jì)算電磁力波。通過修改電機(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。
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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。
用戶無法確定電磁方案的其它參數(shù)時(shí)，無需手工輸入，設(shè)置為0，軟件自動(dòng)計(jì)算這些參數(shù)；允許用戶輸入電磁方案的其它參數(shù)，如定子鐵心外徑、定子槽數(shù)等，作為固定約束。自動(dòng)對(duì)所有可能的拓?fù)浞桨高M(jìn)行計(jì)算、比較和優(yōu)化，詳細(xì)分析極槽配合、繞組連接，給出一個(gè)或者若干個(gè)合理的優(yōu)選方案。
自動(dòng)設(shè)計(jì)的電機(jī)性能特點(diǎn)：高效率、低振動(dòng)、低噪聲、無齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩平滑、無單邊磁拉力。
這種應(yīng)力和應(yīng)變，使定子鐵心隨勵(lì)磁頻率的變化作周期性振動(dòng)，當(dāng)磁致伸縮頻率與鐵心固有頻率發(fā)生共振時(shí)，會(huì)對(duì)電機(jī)的振動(dòng)噪聲有一定的影響。
ansys公司對(duì)某8極48槽的電機(jī)作了具體研究，發(fā)現(xiàn)磁致伸縮會(huì)使得定子齒上的徑向力和切向力幅值和頻率分布都會(huì)發(fā)生變化，在某些情形這些變化會(huì)產(chǎn)生新的振動(dòng)特征，不能忽略。
異步電機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座三部分構(gòu)成。定子鐵心的作用是作為電機(jī)磁路的一部分和嵌放定子繞組。為了減少交變磁場(chǎng)在鐵心中引起的損耗，鐵心一般采用導(dǎo)磁性能良好、比損耗小的0.5mm 厚低硅鋼片（沖片）疊成，如圖所示。為了嵌放定子繞組，在定子沖片中均勻地沖制若干個(gè)形狀相同的槽。槽形有三種：半閉口槽、半開口槽、開口槽。半閉口槽適用于小型異步電機(jī)，其繞組是用圓導(dǎo)線繞成的。
當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)子鐵心與定子鐵心形成磁場(chǎng)回路, 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線切割定子線圈而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)即電壓,該感應(yīng)電勢(shì)通過主引線輸出,與變壓器、電網(wǎng)相連接,即將機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能可以向千家萬戶供電
定子繞組是發(fā)電機(jī)的核心部分
轉(zhuǎn)子繞組為產(chǎn)生磁力線源所以亦稱勵(lì)磁繞組
定子:高電壓、大電流
轉(zhuǎn)子：高機(jī)械強(qiáng)度
汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻，無論是空冷
而且定子鐵心所用的硅鋼片的磁導(dǎo)率一般在2000'?6000'之間，遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率。
Li Y等主要研究了定子和轉(zhuǎn)子鐵心變形引起的非均勻氣隙，以及氣隙對(duì)永磁同步電機(jī)徑向電磁力時(shí)空譜的影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定值時(shí)，轉(zhuǎn)子變形是影響振動(dòng)水平的重要因素。
國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)抑制電機(jī)振動(dòng)噪聲進(jìn)行了大量研究，但是大多數(shù)都是通過優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)來抑制噪聲，很少有學(xué)者從電機(jī)噪聲的傳遞路徑角度提出抑制方案。
定子鐵心表面的振動(dòng)速度口：
由式(13)可知：在機(jī)械阻抗不變的情況，降低定子轉(zhuǎn)子諧波相互作用產(chǎn)生的力波振幅P。便可降低定子殼體表面振動(dòng)速度。從而達(dá)到降噪的目的。
2．2 電機(jī)噪聲的抑制措施及效果
該電機(jī)轉(zhuǎn)子有8極，在轉(zhuǎn)子每極增加3個(gè)小槽。增加小槽改善了磁通。
;同時(shí)，在半消聲室內(nèi)分別對(duì)上述3種槽極數(shù)配合的永磁電機(jī)在額定外特性勻加速工況下進(jìn)行了噪聲測(cè)試，并利用快速傅里葉變換得出了 3 種電機(jī)噪聲的頻譜圖; 最后，綜合電磁力空間階次、頻率特征以及定子鐵心的模態(tài)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。
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。
