基于永磁体磁畴聚向排列的永磁同步电机振动噪声优化

2024-01-26杨伟涛吴凤海

微特电机 2024年1期

杨伟涛,吴凤海,王杰

(惠而浦(中国)股份有限公司, 合肥 230088)

0 引言

永磁同步电机具有功率密度高、过载能力强、控制特性好、运行平稳且高效节能等优点,在家用电器、航空航天、舰船潜艇、武器装备等领域广泛应用。随着科学技术的发展,人民生活水平的提高,以及节能降噪等政策的实施,永磁同步电机的上述优点已无法满足现有市场的需求,因此对振动和噪声的研究已经成为现有电机研究、设计和使用所关注的热点。

永磁同步电机振动与噪声的来源、机理和变化规律复杂,涉及多学科的理论与技术。电机的噪声主要来源包括空气动力学噪声、流体噪声、机械噪声与电磁噪声。本文主要研究电磁噪声,其主要是由作用在铁心上的时变电磁力密度波激发定子振动引起,这种电磁力密度波是实现机电能量转换的核心,电机转子的振动响应机理较为复杂,因此电磁噪声问题较其他噪声问题更难解决。

本文通过仿真计算、理论分析两种方式对永磁同步电机的振动和噪声进行了深度的刨析,并给出了影响电机电磁振动和噪声的电磁力密度波时间阶次和空间阶数以及具体的磁密谐波次数,为精准优化电机的电磁振动和噪声提供了明确的方向和目标。本文还通过永磁体磁畴聚向排列结构,在不改变产品任何尺寸结构的情况下,实现了对表贴式外转子永磁同步电动机的振动和噪声优化,并且实现了电机材料成本的降低。

1 电机方案介绍及待优化项目

现有电机为一款滚筒洗衣机用直驱外转子永磁同步电动机,采用27槽36极槽极比,其他具体参数如图1所示。

图1 外转子永磁同步电动机结构与参数

由图1可以看出,现有电机采用了磁钢修形的方式来提高转子永磁磁场的正弦度,减少谐波含量,进而达到降低噪声的目的。为了应对更高的市场需求,我们对现有电机进行进一步的噪声优化。首先,对现有电机进行了全面的噪声测试,在对噪声测试结果进行数据分析时我们发现,现有电机在2 500 Hz、1 200 r/min时存在噪声异常,具体如图2所示。

图2 电机噪音测试结果

2 电机异常噪声来源分析

2.1 仿真分析

为了寻找电机异常噪声的来源,我们通过专业的电机设计仿真软件EasiMotor Online对电机进行了振动噪声仿真计算,具体仿真计算流程如图3所示。通过计算分析,我们得到了现有电机的噪声瀑布图和电磁力密度波时空分布三维柱状图,如图4和图5所示。

图3 振动噪声仿真计算流程

图4 噪声瀑布图

图5 电磁力密度波时空分布三维柱状图

由图4可以看出,8p×f0的阶次线颜色较亮,本方案极对数p为18,即144×f0阶次的噪声较高,其中f0为转子转频。

由图5可以看出,时间阶次为144×f0的阶次线中幅值最高的为空间0阶的阶次线,其次为空间9阶和空间-9阶的阶次线,根据不同空间阶次噪声的叠加图(如图6所示),我们可以发现在1 200 r/min时,空间0阶噪声幅值最高、占比最大,因此可以确定现有电机在2 500 Hz、1 200 r/min时的噪声其空间阶次为0阶,即现有电机的噪声主要来自于空间0阶、时间144×f0阶的电磁力密度波。

图6 各阶数噪声叠加图

另外,受制造工艺、转子动偏心等因素的影响,电机噪声的频率会在一定范围内被修正和改变。其次,我们在噪声测试时采用的是1/3倍频程,其2 500 Hz中心频率所覆盖的频带范围为2 200 Hz～2 800 Hz,我们认为此时仿真所得的2 878.8 Hz、1 200 r/min的噪声就是在实际噪声测试时所测的2 500 Hz、1 200 r/min的噪声。以下理论推导情况与此相同,不再重复叙述。

2.2 理论分析

根据麦克斯韦张量法,电磁力密度波分为径向电磁力密度波和切向电磁力密度波,公式如下:

(1)

(2)

式中:pr为径向电磁力密度;pt为切向电磁力密度;μ0为真空磁导率;br为径向磁密;bt为切向磁密。

在气隙磁密中,因为切向磁密较小,所以我们在计算电磁力密度时一般只考虑径向电磁力密度,且可以忽略切向磁密度部分,因此径向电磁力密度计算公式可以简化:

(3)

因为磁密等于磁势乘以磁导,如下式:

b(θ,t)=f(θ,t)λ(θ,t)

(4)

式中:f为磁势;λ为比磁导。

我们将气隙磁势分成基波合成磁势、定子谐波磁势、转子谐波磁势三个部分:

(5)

其中基波合成磁势包含了定子基波磁势和转子基波磁势。根据磁势的时空属性,基波合成磁势、定子谐波磁势、转子谐波磁势的表达式分别如下式:

f0(θ,t)=F0cos(pθ-ω1t-φ0)

(6)

fv(θ,t)=Fvcos(vθ-ω1t-φv)

(7)

(8)

式中:ω1为基波角速度;ωμ为转子谐波角速度;φ0为基波初始相位角;φv为定子谐波初始相位角;φμ为转子谐波初始相位角。

当q为整数时,v=(2mk+1)p,k=±1,±2,±3,…;

当q为分数,且其最简分数的分母d为奇数时,v=(2mk+1)p/d,k=±1, ±2, ±3,…;

当q为分数,且其最简分数的分母d为偶数时,v=(2mk+2)p/d,k=±1, ±2, ±3,…。

因现有电机转子为表贴式转子,假设转子表面光滑,其气隙磁导只包含不变磁导部分和因定子开槽而引起的谐波磁导部分,具体如下式:

(9)

式中:Λ0比磁导的恒定分量;Λk比磁导的谐波分量;z1为定子槽数。

将式(9)、式(5)、式(4)代入式(3),根据积化和差原理并忽略掉幅值较小部分,我们可以得到:

(10)

式中:B0为基波气隙磁密;Bv为定子谐波磁密;Bμ为转子谐波磁密。

由式(10)的前半部分我们可以发现,这是基波磁场与基波磁场相互作用产生的空间2p阶、时间2p倍转频的电磁力密度波,虽然其幅值较大,因其空间阶数较高,时间阶次较低,所以针对本案例此电磁力密度波不在考虑的范围内。另外,根据积化和差原理,基波磁场与基波磁场相互作用还会产生空间0阶、时间0倍转频的电磁力密度波,但因为其不会产生交变作用,所以也不会产生振动和噪声,因此这里也不考虑。

由式(10)的后半部分我们可以发现,由定转子谐波磁场相互作用产生的电磁力密度波含有大量空间阶数较低、时间阶次较高的电磁力密度波,这部分电磁力密度波是引起电机振动噪声的主要来源,也是我们此次理论分析的重点。

根据以上公式推导及分析,我们将现有电机槽极比下的定转子谐波磁场相互作用产生的电磁力密度波的空间阶数整理,如图7所示。

图7 27槽36极槽极比的电磁力密度波空间阶数分布

由图7可知,由转子7次谐波与定子-7次谐波相互作用产生的电磁力密度波空间阶数为0阶,时间阶次为144×f0,因为其空间阶数较低,时间阶次较高,所以是我们此次噪音优化的重点。此结论也与仿真分析得出的结论相同。

3 优化方案

由以上分析可知,现有电机振动噪声的主要来源为转子7次谐波与定子-7次谐波相互作用产生,如果要消弱定子-7次谐波,需要改变槽极比,或采用斜槽、斜极等措施。由于电机已批产,模具设备等已无法改变,我们将采用消弱转子7次谐波的方式来优化现有电机的振动噪声。

本方案采用永磁体磁畴聚向排列结构来优化转子7次谐波。永磁体磁畴聚向排列结构是在永磁体磁畴预定向时,通过在永磁体周围设置不同结构的导磁和非导磁材料来改变磁路的磁偏角,如图8所示。在预充磁时,使永磁体的磁畴按预设角度呈聚集式排列,最终使转子磁场达到趋于正弦分布的要求,从而减少转子的谐波含量。永磁体磁畴预定向优化前后磁场排布情况如图9所示。