变频电机定子模态影响因素研究与应用

左正发

摘 要 变频电机由于径向电磁力波作用于定子上，使定子发生振动而产生电磁噪声。定子径向模态影响到定子是否会发生共振，因此研究其模态十分重要。本文通过仿真和试验对定子模态影响因素进行研究，发现定子径向模态主要是跟轭部厚度和外圆直径大小有关，提出了“轭径比”的概念，通过计算其“轭径比”即可计算定子的径向模态频率值，为电机振动噪声改善设计提供参考。

关键词 变频电机;定子模态;影响因素

引言

变频压缩机作为变频空调器的核心元件，其电机产生的电磁噪声给空调器的舒适性造成了较大影响。电磁噪声是由于径向电磁力波周期性的作用于定子上，使定子发生振动而产生电磁噪声。当电磁力波频率和定子固有频率接近時，会导致定子共振引起较大的电磁噪声。本文通过仿真和试验对定子模态影响因素进行研究。

1定子模态有限元分析模型

1.1 定子模态有限元数学模型

根据Hamilton 原理和应力-应变、应变-位移的关系，可得有限元离散后电机结构的拉格朗日运动方程：Ku+Rv+Ma=F式中：K为刚度矩阵，R为阻尼矩阵，M为质量矩阵;u为位移矢量，v为速度矢量，a为加速度矢量;F为外部激励节点力矢量。电机模态分析问题属于无阻尼自由振动问题，解特征值方程det（K-w2M）=0可得固有频率，将每一个频率代入特征值问题方程可得特征值矢量，选择一定方法进行归一化可得主振型[1]。

电磁噪声主要取决于径向振动，即径向模态是研究的重点。所谓径向模态是指振动时定子上各节点只在垂直于轴向平面内发生位移的振动形式。

1.2 定子径向模态有限元仿真

鉴于电磁噪声重点研究的是定子的径向模态，而定子的径向模态只受垂直轴向平面内的刚度和质量分布影响，即轴向同性。对于整个定子部件的仿真时将绕组进行简化处理，以附加质量的形式加到定子齿上[2]。仿真振型如图1所示，其频率值1350Hz与实测值1310Hz相比仅相差3.1%，实测频响曲线如图2所示。

2定子径向模态影响因素分析

为了分析定子径向模态影响因素，采用定子铁芯进行了如表1所述的试验方案。

对比方案二和方案一可知：外径和齿宽相同，轭部越宽固有频率越高;对比方案三和方案二可知：齿宽不同，外径和轭部宽度相同，固有频率相同;

综上所得：径向固有频率主要是由轭部宽度和外径大小决定的。为了找出轭部宽度和外径与固有频率的关系，本文进行了如表2所述的仿真分析。

为了清楚地看出固有频率与轭部宽度和外径的关系，提出“轭径比”的概念，轭径比ib=W/D，这样固有频率便只与ib有关，根据表2数据可以拟合出公式F=20350ib ， 可见定子径向固有频率与“轭径比”基本呈线性关系。

3结束语

（1）定子径向模态遵循轴向同性原则，即通过单个冲片的仿真即可代表整个定子铁芯，绕组可简化为附加质量加在定子齿上。

（2）通过以上仿真和试验可知：定子的径向模态主要是由轭部宽度和外径大小决定的，本文提出“轭径比”的概念，建立起定子径向固有频率与“轭径比”的关系，从关系图中可看出定子径向固有频率与“轭径比”基本上呈线性关系，因此通过计算其“轭径比”即可快速计算定子的径向模态频率值，为电机振动噪声设计和改善提供参考，而不用再一一进行复杂的计算和仿真。

参考文献

[1] 杨浩东.永磁同步电机电磁振动分析[D].杭州：浙江大学，2011.

[2] 王荀，邱阿瑞.大中型异步电动机定子模态的仿真分析[J].大电机技术，2011，（1）：1-3.