基于永磁电机的振动检测分析研究

高志远，杨 斌，黄永程，王凌浩

（广东理工学院 工业自动化系，广东 肇庆526100）

0 前言

随着我国的经济科技的迅速发展，使得工业、冶金等行业增加了对永磁电机的需要，使得永磁电机在结构和功能不断的改进和优化[1]。由于永磁电机具有结构简单、运行安全可靠、体积小、重量轻、效率高等优点，逐步被永磁电机淘汰。现如今永磁电机以多变形状和灵活的尺寸为优点，使得其在航空航天、军事国防、工业制造生产等领域得到广泛的应用[2]。

由于现代工业的需求，对永磁电机的设计逐渐向性价比高、体积小等方向发展，这些都会增加永磁电机的电、磁负荷；而如果要想使永磁电机的体积小、质量轻，就要采用较好的材料，使用永磁电机的磁通密度相对较高材料，但这就会导致磁饱和和冷却等问题，这些问题都会导致永磁电机出现严重的振动[3]。本文基于永磁电机的振动检测分析，对其进行振动的仿真分析，从而优化永磁电机的整体性能。

1 永磁电动机振动产生的机理

永磁电动机的电磁振动主要是由定子齿内表面上的径向电磁力的原因产生的[5]。在一定理想情况下，永磁电机的定子被简化成为带两个端盖的圆柱型外壳，m阶径向电磁力产生的振动位移为：

其中，M为圆柱壳的质量（kg）；ωm为m阶固有角频率（rad/s）；ωr为 r次电磁力角频率（rad/s）；ζr为模态阻尼比；Fm为径向电磁力（N）。

据相关数据表明，当永磁电机的径向电磁力的频率和固有频率相等时，两个此时振动的振幅达到最大值，也会造成较大的异响。因此，在对电机的结构进行设计时，要使两个之间的频率相差越大越好，减小振动。

本文的研究以10极12槽永磁同步电动机为研究对象，建立二维永磁电机的模型，如图1所示，其永磁电机的主要参数如下：额定功率750 W，额定电压220 V、额定转速3 000 r/min、额定转矩25 N·m、定子外径100 mm、内径60 mm.

图1 二维电机模型

电磁振动是由永磁同步电动机气隙中基波磁场和谐波磁场相互作用产生的电磁力所造成的，即电磁噪声主要来源于电磁振动，因此永磁同步电机的振动分析是非常有必要的。该电机的电磁转矩如图2所示。

图2 电磁转矩

图2 中（a）是空载时永磁同步电动机的电磁转矩，其中仿真最大电磁力矩是0.003 3 N·m；图（b）是负载时永磁电机的电磁转矩，电压幅值为110 V.

2 永磁电动机振动位移的仿真分析

通过对永磁电动机的外壳进行瞬态动力学分析，得到该电机外壳的振动幅值，以此判断本文的设计是否符合要求。在永磁电动机随时间和位置变化的动态结构振动响应分析中，由于永磁同步电机定子的磁密值和电磁力不同，将定子的内表面看作若干个圆弧，并将每一段圆弧的中心看作一个质点，从而求得定子内表面的任何一个质点在任何时刻的电磁力，其模型如图3所示。

图3 永磁电机的有限元模型

通过有限元软件UG建立永磁电动机的三维模型，其中包括对定子铁心、绕组、机壳、端盖及定子系统进行了建模，再将模型导入至有限元ANSYS软件对永磁电机的振动进行了模态分析，模态分析之前需要施加约束，电机定子内表面电磁力时间、位置变化，将其电磁力载荷施加在电动机定子齿内表面上，并且根据样机实际的安装情况，在有限元软件里，对电动机外壳的孔处添加零位移约束，最后通过模态分析，得到永磁电机在水平和重直方向上的位移，其图形如图4所示。

图4 电机任意时刻的位移图

从图4中可以看出，该电机外壳在x方向的位移较小，甚至可以忽略不计。在y方向上，振动的位移偏量较大，其最大振动位移达到2.28×10-6m.

3 总结

本文以10极12槽永磁同步电动机为研究对象，通过利用有限元方法对该电机在空载和额定负载下进行了电磁场的仿真分析，并对该电机的机壳在x、y两个方向上的位移偏量进行仿真，其最大的偏离量为2.28×10-6m.