并列双转子混合励磁同步电机振动分析

赵圣杰，夏加宽

并列双转子混合励磁同步电机振动分析

赵圣杰，夏加宽

（沈阳工业大学电气传动研究所，沈阳 100190）

本文对引入电励磁转子并列式双转子混合励磁同步电机的径向振动特性进行分析，介绍了该类电机特点，进行单永磁转子的磁场和力波解析，总结得出对于整机的部分电磁振动影响较大的力波的频率与阶次；引入电励磁转子侧使得整机磁场可调。针对双转子不同的磁场分布对通过有限元法仿真得到两者的径向电磁力波特性，将双转子的力波进行耦合谐响应分析，最后验证了关于双转子电机的电磁振动特性的解析以及由于电励磁侧转子引入导致整机的振动不对称的特点。

并列双转子 混合励磁同步电机 径向电磁力波 振动不对称 谐响应分析

0 引言

为了使永磁电机气隙磁场可调，引入电励磁转子使得并列式双转子电机具有永磁电机与电励磁电机的优点，而且相较于电励磁电机，其高效且功率密度高[1]。近年来提出了多种混合励磁电机从结构出发可分为串联式和并联式[2]，并列式是并联式混合励磁电机的一种，其电机本身具有高功率密度且调磁容易的特点[3]。

径向电磁力是电机产生振动的主要振源[4-6]，文献[7]通过三维有限元方法计算了双转子混合励磁电机的瞬态场的气隙磁场分布，但没有考虑双转子电机电磁力的耦合。文献[8]通过三维有限元方法计算了单转子并列式混合励磁同步电机的气隙磁场与电磁径向力，并通过实验验证了电机存在基数倍频振动的特性，但是并没有考虑定子模态的影响。

综上所述，现有关于混合励磁电机的研究集中在双转子电磁特性上，而由于此类双转子电机兼具永磁体磁场与电励磁磁场，其磁场产生的复杂的振动特性对于该类电机的影响需要重视与研究。

本文从并列式电机气隙磁场分布入手，进而通过对径向电磁力波的数值计算，同时考虑定子模态的影响，验证了此类并列式双转子电机沿轴向振动不对称特性，出于调节电机磁场的目的引入的电励磁转子，在调节电机磁场的情况下也会使得电机整体振动特性更加复杂。

并列式混合励磁电机沿轴向分为永磁部分与引入的辅助电励磁部分，如图1所示。

图1 并列式混合励磁电机结构示意图

1 混合励磁电机径向电磁力波解析

混合励磁电机的永磁部分是传统的表贴式永磁电机，电励磁部分是电励磁同步电机，在忽略切向磁密，可得到径向电磁力表达式（5）

磁势可以分为三部分，永磁侧转子磁势、定子侧磁势和电励磁侧转子磁势的表达式为

因此永磁侧的径向力表达式为

同理电励磁侧的径向力表达式

将式（3）带入式（4）（5）中可得

总结可得三部分产生的力波分量，转子磁动势产生的力波分量。

定子磁动势产生力波分量。

转子磁动势和定子磁动势作用产生的力波分量。

通过对以上径向电磁力波进行分析，齿磁导谐波取1阶时可以总结出对整机振动影响较大的力波来源、阶数和频率，进而可以汇总成表1。

表1 永磁同步电机主要力波分量

2 混合励磁电机径向电磁力波仿真计算

以一台并列式混合励磁电机为例，其主要参数如表2。

表2 混合励磁电机主要结构参数

分别建立混合励磁同步电机电励磁侧与永磁侧电磁有限元模型。取气隙中心的圆作为观测路径，求解径向气隙磁密并分别对其进行FFT分解如图2。

由图可知径向气隙磁通密度主要是由永磁侧阶数为4、8、12和16等谐波极对数为4的倍数的径向磁密谐波的幅值所提供。而电励磁侧主要是负责调磁作用的。

改变电励磁侧励磁电流的方向使得电励磁侧转子处于增磁与去磁工况得到其径向气隙磁通密度如图3。

图2 某一时间气隙径向磁密以及FFT分解

图3 增磁与去磁工况下的径向气隙磁密

如图知改变励磁电流的方向使得电机的气隙磁密方向相反，然而根据式（1），可得增磁与去磁工况下电励磁转子分别产生的径向电磁力大小与方向是相同的，因此仅需考虑电励磁转子处于一种工况下的后续分析。

同理，对径向电磁力波进行求解并对其进行FFT分解得图4。

图4 空间上径向电磁力波以及FFT分解

由图4可以得出并列式混合励磁电机的径向电磁力波主要是来源于永磁侧的主要阶数为8阶和16阶等力波分量以及与1阶定子齿谐波有关的54阶和62阶电磁力波，与表4的关于径向电磁力波的阶数分析一致。与此同时，电励磁侧的电磁力波分布规律与永磁侧的相似，且由于引入的电励磁侧只是提供辅助励磁的部分，所以幅值较低。

为取得径向电磁力波在时域的分布规律，在2000 r/min时，取定子齿上某一径向面在一个机械周期内的永磁侧与电励磁侧的径向电磁力以及FFT分解得图5。

由图5可知，在时域上混合励磁电机的电磁径向力波的来源主要是永磁侧2倍频和4倍频等偶数倍频的电磁力波分量，尤其2倍频径向力波分量占比高，与表4的分析一致。而10倍频以后的的电磁力波分量的幅值变小，因此在计算振动时仅考虑在10倍频以前的径向力波分量引发的振动。

图5 定子某一径向面径向电磁力波以及FFT分解

3 混合励磁电机振动分析

3.1 电机定子模态分析

利用结构有限元仿真软件对电机定子进行模态分析，定子的材料是硅钢，通过有限元仿真得到2阶和3阶定子模态。

图6 混合励磁电机定子模态

3.2 电机振动谐响应分析

电机的振动来源于电磁径向力波作为激励源，而对于混合励磁电机这种具有三维轴向特性和周向特性的电机一般采用三维电磁有限元分析后导入结构有限元分析，耗时过长，无法及时得到结构对于电磁力的响应结果。而采取传统的二维电磁有限元分析，将电磁力导入结构模型后，无法体现出双转子励磁后定子的振动不对称特性。因此本文按照双转子轴向距离的分布，对定子开槽侧的内表面进行切面，然后将所求解的二维计算的电磁力波分析结果导入对应的求解面。如图7。

图7 混合励磁电机谐响应分析定子模型

图8 电机定子外表面振动加速度实际值与相位

当引入的电励磁转子，将永磁侧与电励磁侧的径向电磁力波分别导入定子所对应的内表面，进行电磁振动有限元谐响应分析，得到辅助励磁侧单独励磁、永磁侧单独励磁和两者混合励磁影响定子表面振动加速度的实际值，如图8。

由图8可知由于引入电励磁转子使得定子外表面整体振动实际值增加，但由于2倍频振动相位相差大于180°相当于提供反向振动幅值，导致振动实际值降低。且在4倍频与8倍频电励磁侧由于振动相位角更接近于180°,使得电励磁侧对定子表面的实际振动影响值较大。

4 结论

本文对并列双转子混合励磁电机的径向振动特性进行分析，总结了在整机上径向电磁力波的分布规律，揭示了由于引入电励磁转子使得电机定子沿轴向振动不对称的特性，并通过谐响应分析进行了验证。本文研究内容为此类双转子甚至多转子电机的振动研究打下了基础。本文结论如下：

1）并列式双转子电机的力波主要阶数是2p阶径向力波以及转子基波磁场与1阶齿导谐波磁场相互作用的径向力波分量。

2）由于电励磁侧转子侧的引入，使得电机整机振动更加复杂，因此在进行此类混合励磁电机的研究时，考虑电磁振动的影响也同样重要。

3）并列双转子式混合励磁电机的永磁侧是主要供能磁场，电励磁侧处于辅助励磁工作状态，受磁场分布的影响，导致电磁径向力波沿轴向衰减，进而引发整机振动的不对称性。然而电励磁侧的励磁电流可调，若由于需求而提高输出功率则调整励磁电流使得电励磁侧磁场强于永磁侧，则相反。

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Vibration analysis of hybrid excitation synchronous motor with electrically excited rotor

Zhao Shengjie, Xia Jiakuan

(Institute of Electric Drive, Shenyang University of Technology, Shenyang 100190)

TM341

A

1003-4862（2022）08-0022-05

2022-01-22

赵圣杰，男，研究生。研究方向：电机振动噪声。E-mail: 729909432@qq.com