CN113765324B - 针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机及其振噪优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对新型不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机及其振噪优化方法，包括分析该不对称结构电机的径向力分布；根据电机振动理论，得出不平衡电磁力和共振是引起较大振动的原因；建立不同电机模型得到转子相对磁导及其谐波，根据转子相对磁导分析，提出优化转子结构削弱不平衡电磁力；根据定子磁密云图，提出定子磁通间隙加辅助槽的优化定子结构削弱共振影响，从而确定最优电机模型；通过验证后得出优化后的电机能够有效地降低电机的振动和噪声。本发明针对非对称结构的模块化电机进行振噪分析和优化，所提方法为此类型电机的设计优化提供参考。

Description

针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机及其振噪优化方法
技术领域
本发明涉及到一种针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机及其振噪优化方法，属于低振动噪声电机设计的技术领域，应用在航空航天、高性能船舶等场合。
背景技术
永磁电机的发展受到钕铁硼价格高的制约，为了降低生产成本，研究人员提出了永磁辅助同步磁阻电机。这种电机的优点是转矩密度在接受范围内，效率高，并且只需要便宜的铁氧体。近年来，人们越来越重视优化转子以提高电磁性能。不对称的定子和转子已经被提出来抑制转矩脉动，但是不对称的结构会产生不平衡的电磁力。振动和噪音的新问题将会出现。不对称结构对电机高速运行时的振动和噪声有严重影响。然而，其机理尚未得到深入研究，振动和噪声的来源也没有得到明确解释。在一些研究中，分析了对称永磁同步电机振动和噪声的来源。槽谐波及其倍数是振动的主要原因，但在模态分析中没有考虑绕组的影响。对于整数槽对称永磁同步电机，电机的振动主要由零阶径向力引起。然而，不对称电机的振动不同于对称电机的振动。不对称电机产生的不平衡电磁力使振动发生显著变化。以前对不平衡电磁力的研究主要来自转子偏心或不对称绕组，不对称结构产生的不平衡电磁力对电机振动和噪声的影响尚未引起足够的重视。目前不对称电机的振动和噪声尚没有很好的优化方法，因此，对其振动和噪声进行分析具有重要意义。
发明内容
针对不对称结构导致电机产生不平衡电磁力，带来新的振动噪声问题，本发明提出了一种针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机及其振噪优化方法。
为了满足技术要求，本发明采用的技术方案是：一种针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机，包括外层的模块化定子和内层的不对称转子，所述模块化定子是由定子铁心、磁通间隙、线圈组成，定子齿内绕有线圈，不等宽的磁通间隙将定子铁心均匀分割成三部分；不对称转子由铁氧体永磁体和三对张角不同的U型磁障组成，每对磁障均为两层，位于外侧的磁障张角大于内测磁障张角，厚度不同的永磁体位于两层U型磁障中心。
进一步，在磁通间隙中距离气隙0.5mm处，开长为3mm，宽为1mm的辅助槽。
进一步，三对张角不同的U型磁障偏移角度按照顺时针依次为：β、β+σ、β-σ；选取：β和σ分别为25°和1.5°。
一种针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机的振噪优化方法，包括如下步骤：
步骤1，分析该不对称结构电机的径向力分布，根据电机振动理论，确定可能引起较大振动的径向力来源；
步骤2，建立不同电机转子模型，采用径向充磁的方式，间接得到转子相对磁导及其谐波；
步骤3，根据转子相对磁导分析，确定优化磁导谐波阶次，以磁障偏移角度为目标，提出转子优化模型，从而削弱不平衡电磁力；
步骤4，根据定子磁密云图，提出在磁通间隙开槽的定子优化模型，进一步削弱径向力，减小由于共振引起的较大振动，从而确定最优电机模型；
步骤5，校核优化后电机的电磁性能以及振动和噪声。
进一步，不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机，是由模块化定子和不对称转子组成，所述模块化定子是由定子铁心、磁通间隙、线圈组成，不等宽的磁通间隙将定子铁心均匀分割成三部分；不对称转子由铁氧体永磁体和张角不同的U型磁障组成，永磁体位于U型磁障中心。
进一步，所述步骤1中的径向力分布，不同类型电机径向力分布不同；通过磁势和磁导得出磁密，进而求得径向力，公式如下：
忽略电流谐波，定子磁动势可表示为：
Figure GDA0003863486280000021
其中，θ为转子的空间位置，t为时间，ω为机械角速度，p为极对数，Fv为v阶定子磁动势的幅值，k为正整数；
转子磁动势可表示为：
Figure GDA0003863486280000022
其中，Fμ是μ阶转子磁动势的幅值，i是自然数；
定子磁导可表示为：
Figure GDA0003863486280000023
其中，Λs0和Λsm分别是定子磁导的平均值和m阶定子磁导的谐波幅值，z是槽数，m是正整数；
转子磁导可表示为：
Figure GDA0003863486280000024
其中，Λr0和Λrn分别是转子磁导的平均值和n阶转子磁导的谐波幅值，n是正整数；
气隙磁导可表示为：Λ(θ,t)＝Λs(θ,t)·Λr(θ,t)
通过麦克斯韦应力张量法，径向力密度可表示为：
Figure GDA0003863486280000031
对径向力密度进行积分即可得到径向力，从而可以获得径向力的阶次和频率，不对称结构电机的径向力谐波非常丰富，包含各基频各阶次的径向力，尤其是包含不平衡电磁力。利用有限元法获得径向力的具体幅值，定量分析径向力对电机振动噪声的贡献程度。
进一步，所述步骤1中，不对称结构导致电机产生丰富的径向力谐波，对于非高速中小型电机，共振现象几乎不可避免；对于2阶及以上阶次径向力的振动响应可近似表示为：
Figure GDA0003863486280000032
式中，Fm为径向力幅值，r为径向力阶次，f为径向力频率，fε为电机的固有频率，A为2阶以上模态下电机尺寸及材料参数对电机振动加速度的影响，由式基本可以得出径向力幅值越大，电机振动加速度越大，机壳表面振动加速度与径向力频率的平方成正比；
对于1阶径向力的振动响应，其响应和其它一般阶次基本相同，不同之处在于电机刚度以及质量表达式，可用下式近似表示：
Figure GDA0003863486280000033
式中，B为1阶模态下电机尺寸及材料参数对电机振动加速度的影响，因为振型的差异，导致B的值小于A的值，因此1阶径向力引发的振动是其他阶次的至少9倍，因此不对称结构中的不平衡电磁力导致电机产生较大的振动。
进一步，所述步骤2中，转子相对磁导分析过程如下：
永磁体沿圆周方向置于转子外侧，采用径向充磁的方式，转子为开槽和转子为实心时气隙磁密之比即为转子相对磁导沿圆周分布波形，对其傅里叶分解，得出转子相对磁导空间谐波，不对称磁障使转子相对磁导谐波丰富，磁势不变的情况下，不平衡电磁力和不对称磁障联系紧密，减小相关转子相对磁导谐波即可减小不平衡电磁力。
进一步，所述步骤3提出的转子优化模型，磁障的偏移角度不同导致转子相对磁导的分布不同，建立转子相对磁导谐波与电机振动噪声的联系，选择合理的偏移角度既能保证电磁性能又能削弱电机的振动噪声，通过参数化分析，确定最优转子模型。
进一步，所述步骤4提出定子优化模型，建立磁密谐波和电机振动噪声的联系，分析磁密云图分布和气隙磁密谐波构成，通过定子磁通间隙开槽，减小引起较大振动的径向力幅值，进一步抑制振动噪声。
进一步，步骤5通过转矩的分析和机械应力分析，验证所提出的优化结构满足设计要求。激振器法测得电机的模态参数，通过有限元法调整材料参数，使有限元结果尽可能拟合实验结果。最后通过有限元分析，最终优化电机模型能够很大程度上削弱电机的振动噪声。
本发明采用的有益效果是：
1.充分研究了不对称模块化结构电机产生径向力的机理，为优化此类电机提供了充分的条件。
2.研究得出不平衡电磁力和共振是电机振动噪声的主要来源，通过转子相对磁导分析和磁密谐波分析得出优化模型，提供了新颖的优化思路。
3.所提出的优化模型，电机的振动加速度和声功率级有了明显降低，优化后的电机振噪性能得到了明显的提升，为未来不对称结构电机的设计提供指导。
附图说明
图1为不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机(原电机)的结构图。
图2为本发明中转子相对磁导求取过程。
图3为本发明中转子磁障偏移角度选取示意图。
图4为本发明中所提出优化电机的结构图。
图5为本发明中原电机和优化电机的输出转矩比较图。
图6为本发明中原电机和优化电机的转子相对磁导比较图。
图7为本发明中原电机和优化电机的转子相对磁导谐波比较图。
图8为本发明中原电机和优化电机的振动加速度比较图
图9为本发明中原电机和优化电机的声功率级比较图
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，传统不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机的结构图，其中1为转子，2为定子，3为磁通间隙，4为定子绕组，5为磁障，6为铁氧体永磁体。下面以36槽6极不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机为例，其方法步骤如下所示。
步骤1，分析该不对称结构电机的径向力分布；
通过磁势和磁导得出磁密，进而求得径向力，解析过程如下：
忽略电流谐波，定子磁动势可表示为：
Figure GDA0003863486280000051
其中，θ为转子的空间位置，t为时间，ω为机械角速度，p＝3为极对数，Fv为v阶定子磁动势的幅值，k为正整数。
转子磁动势可表示为：
Figure GDA0003863486280000052
其中，Fμ是μ阶转子磁动势的幅值，i是自然数。
定子磁导可表示为：
Figure GDA0003863486280000053
其中，Λs0和Λsm分别是定子磁导的平均值和m阶定子磁导的谐波幅值，z＝36为槽数，m是正整数。
转子磁导可表示为：
Figure GDA0003863486280000054
其中，Λr0和Λrn分别是转子磁导的平均值和n阶转子磁导的谐波幅值，n是正整数。
气隙磁导可表示为：Λ(θ,t)＝Λs(θ,t)·Λr(θ,t)
通过麦克斯韦应力张量法，径向力密度可表示为：
Figure GDA0003863486280000055
对径向力密度进行积分即可得到径向力，从而可以获得径向力的阶次存在0阶、1阶、2阶、3阶……；频率存在fr、2fr、3fr、4fr……。不对称结构电机的径向力谐波非常丰富，包含各基频各阶次的径向力，尤其是包含不平衡电磁力。利用有限元法获得径向力具体幅值，定量分析径向力对电机振动噪声的贡献程度。通过分析可以得出，1阶径向力主要是由转子和定子不对称引起的。
步骤1，根据电机振动理论，得出可能引起较大振动的径向力来源；
不对称结构导致电机产生丰富的径向力谐波，对于非高速中小型电机，共振现象几乎不可避免；对于2阶及以上阶次径向力的振动响应可近似表示为：
Figure GDA0003863486280000061
式中，Fm为径向力幅值，r为径向力阶次，f为径向力频率，fε为电机的固有频率，A为2阶以上模态下电机尺寸及材料参数对电机振动加速度的影响。
对于1阶径向力的振动响应，其响应和其它一般阶次基本相同，不同之处在于电机刚度以及质量表达式，可用下式近似表示：
Figure GDA0003863486280000062
式中，B为1阶模态下电机尺寸及材料参数对电机振动加速度的影响，因为振型的差异，导致B的值小于A的值，因此1阶径向力引发的振动是其他阶次的至少9倍；因此不对称结构中的不平衡电磁力导致电机产生较大的振动，是振噪优化的重要方向。
步骤2，建立不同电机模型得到转子相对磁导及其谐波，转子相对磁导分析过程如下：
永磁体沿圆周方向置于转子外侧，采用径向充磁的方式。转子为开槽和转子为实心时气隙磁密之比即为转子相对磁导沿圆周分布波形，对其傅里叶分解，得出转子相对磁导空间谐波；根据径向力分析结果，磁势不变的情况下，1阶径向压力与转子相对磁导密切相关。不对称转子导致转子相对磁导谐波具有除3n阶以外的其他阶次，其中n是正整数，并且这些谐波是不平衡电磁力的主要来源。通过降低这些谐波的幅值，不平衡电磁力将会降低。因此，可以优化转子以降低相关的转子相对磁导谐波，从而降低电机的振动和噪声。图2为转子相对磁导的求取过程。建立转子开槽和实心的电机模型，分别仿真得到相应的气隙磁密，所得Br_slotting和Br_solid之比即为相应转子气隙磁导Λr_relative，其中Br_slotting为转子为开槽的气隙磁密，Br_solid为转子为实体的气隙磁密，Λr_relative为转子相对磁导。
步骤3，根据转子相对磁导分析，提出转子优化模型；
磁障的偏移角度不同导致转子相对磁导的分布不同，建立转子相对磁导谐波与电机振动噪声的联系。合理的偏移角度既保证了电磁性能，又能削弱电机的振动噪声。
图3为本发明中转子磁障偏移角度选取示意图。β角和σ角的不同会影响转子相对磁导的分布。有限元分析选择2次、4次、5次以及7次转子相对磁导谐波作为减小目标，为了选择合适的偏移角度，采用了多参数优化。转子相对磁导和转矩脉动之间存在冲突关系。因此，优化时需要综合考虑。最后，选择β和σ分别为25°和1.5°。
步骤4，根据定子磁密云图，提出定子优化模型，确定最优电机模型；
建立磁密谐波和电机振动噪声的联系，分析磁密云图，提出通过定子磁通间隙开槽，减小引起较大振动的径向力幅值，进一步抑制振动噪声。分析得出在磁通间隙中距离气隙0.5mm处，开长为3mm，宽为1mm的辅助槽，有助于减小相关径向力。
图4为本发明中最终确定的优化电机的结构图，7为辅助槽，8为磁障偏移。不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机，是由模块化定子和不对称转子组成，所述模块化定子是由定子铁心、磁通间隙、线圈组成，不等宽的磁通间隙将定子铁心均匀分割成三部分；不对称转子由铁氧体永磁体和三对张角不同的U型磁障组成，每对磁障均为两层，位于外侧的磁障张角大于内测磁障张角，厚度不同的永磁体位于两层U型磁障中心。
步骤5，校核优化电机的性能；
步骤5.1：校核优化电机的电磁性能以及机械应力；
由图5为本发明中原电机和优化电机的输出转矩比较图可以看出，电机的转矩性能并没有被牺牲，平均转矩均维持在9.8Nm左右，转矩脉动基本相同，没有牺牲电磁性能。
图6和图7为本发明中原电机和优化电机的转子相对磁导及其谐波比较图，从图中可以看出，2次、4次、5次以及7次转子相对磁导谐波有所降低，基波有所增大，实现了预期效果。
步骤5.2：有限元法完成相关模态参数分析，同时考虑定子材料和等效绕组材料的各向异性，并通过实验测试加以验证。
通过激振器法测得电机的模态频率、阻尼以及振型，调整材料参数和绕组等效模型，是有限元结果尽可能和实验结果一致，从而保证后续振噪分析结果的准确性。
步骤5.3：校核优化电机的振动和噪声。
图8和图9为本发明中原电机和优化电机的振动加速度及声功率级比较图，与原电机相比，优化电机的振动加速度和声功率级有了明显降低，振动加速度最大值从0.53m/s2下降到0.35m/s2，下降了38.6％；声功率级的有效值从32分贝下降到21分贝，下降了34％。优化后的电机大大提高了该类型电机的振动和噪声性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机的振噪优化方法，其特征在于，所述电机包括外层的模块化定子和内层的不对称转子，所述模块化定子是由定子铁心、磁通间隙、线圈组成，定子齿内绕有线圈，不等宽的磁通间隙将定子铁心均匀分割成三部分；不对称转子由铁氧体永磁体和三对张角不同的U型磁障组成，每对磁障均为两层，位于外侧的磁障张角大于内测磁障张角，厚度不同的永磁体位于两层U型磁障中心；
所述振噪优化方法包括如下步骤：
步骤1，分析该不对称结构电机的径向力分布，根据电机振动理论，确定可能引起较大振动的径向力来源；
步骤2，建立不同电机转子模型，采用径向充磁的方式，间接得到转子相对磁导及其谐波；
步骤3，根据转子相对磁导分析，确定优化磁导谐波阶次，以磁障偏移角度为目标，提出转子优化模型，从而削弱不平衡电磁力；
步骤4，根据定子磁密云图，提出在磁通间隙开槽的定子优化模型，进一步削弱径向力，减小由于共振引起的较大振动，从而确定最优电机模型；
步骤5，校核优化后电机的电磁性能以及振动和噪声；
所述步骤1中的径向力分布，不同类型电机径向力分布不同；通过磁势和磁导得出磁密，进而求得径向力，公式如下：
忽略电流谐波，定子磁动势可表示为：
Figure FDA0003863486270000011
其中，θ为转子的空间位置，t为时间，ω为机械角速度，p为极对数，Fv为v阶定子磁动势的幅值，k为正整数；
转子磁动势可表示为：
Figure FDA0003863486270000012
其中，Fμ是μ阶转子磁动势的幅值，i是自然数；
定子磁导可表示为：
Figure FDA0003863486270000013
其中，Λs0和Λsm分别是定子磁导的平均值和m阶定子磁导的谐波幅值，z是槽数，m是正整数；
转子磁导可表示为：
Figure FDA0003863486270000021
其中，Λr0和Λrn分别是转子磁导的平均值和n阶转子磁导的谐波幅值，n是正整数；
气隙磁导可表示为：Λ(θ,t)＝Λs(θ,t)·Λr(θ,t)
通过麦克斯韦应力张量法，径向力密度可表示为：
Figure FDA0003863486270000022
对径向力密度进行积分即可得到径向力，从而可以获得径向力的阶次和频率，不对称结构电机的径向力谐波非常丰富，包含各基频各阶次的径向力，尤其是包含不平衡电磁力，利用有限元法获得径向力的具体幅值，定量分析径向力对电机振动噪声的贡献程度。
2.根据权利要求1所述的一种针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机的振噪优化方法，其特征在于，所述电机在磁通间隙中距离气隙0.5mm处，开长为3mm，宽为1mm的辅助槽。
3.根据权利要求1所述的一种针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机的振噪优化方法，其特征在于，所述电机的三对张角不同的U型磁障偏移角度按照顺时针依次为：β、β+σ、β-σ；选取：β和σ分别为25°和1.5°。
4.根据权利要求1所述的针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机的振噪优化方法，其特征在于，不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机，是由模块化定子和不对称转子组成，所述模块化定子是由定子铁心、磁通间隙、线圈组成，不等宽的磁通间隙将定子铁心均匀分割成三部分；不对称转子由铁氧体永磁体和张角不同的U型磁障组成，永磁体位于U型磁障中心。
5.根据权利要求1所述的一种针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机的振噪优化方法，其特征在于，所述步骤1中，不对称结构导致电机产生丰富的径向力谐波，对于非高速中小型电机，共振现象几乎不可避免；对于2阶及以上阶次径向力的振动响应可近似表示为：
Figure FDA0003863486270000023
式中，Fm为径向力幅值，r为径向力阶次，f为径向力频率，fε为电机的固有频率，A为2阶以上模态下电机尺寸及材料参数对电机振动加速度的影响，由式基本可以得出径向力幅值越大，电机振动加速度越大，机壳表面振动加速度与径向力频率的平方成正比；
对于1阶径向力的振动响应，其响应和其它一般阶次基本相同，不同之处在于电机刚度以及质量表达式，可用下式近似表示：
Figure FDA0003863486270000031
式中，B为1阶模态下电机尺寸及材料参数对电机振动加速度的影响，因为振型的差异，导致B的值小于A的值，因此1阶径向力引发的振动是其他阶次的至少9倍，因此不对称结构中的不平衡电磁力导致电机产生较大的振动。
6.根据权利要求1所述的一种针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机的振噪优化方法，其特征在于，所述步骤2中，转子相对磁导分析过程如下：
永磁体沿圆周方向置于转子外侧，采用径向充磁的方式，转子为开槽和转子为实心时气隙磁密之比即为转子相对磁导沿圆周分布波形，对其傅里叶分解，得出转子相对磁导空间谐波，不对称磁障使转子相对磁导谐波丰富，磁势不变的情况下，不平衡电磁力和不对称磁障联系紧密，减小相关转子相对磁导谐波即可减小不平衡电磁力。
7.根据权利要求1所述的一种针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机的振噪优化方法，其特征在于，所述步骤3提出的转子优化模型，磁障的偏移角度不同导致转子相对磁导的分布不同，建立转子相对磁导谐波与电机振动噪声的联系，选择合理的偏移角度既能保证电磁性能又能削弱电机的振动噪声，通过参数化分析，确定最优转子模型。
8.根据权利要求1所述的一种针对不对称模块化永磁辅助同步磁阻电机的振噪优化方法，其特征在于，所述步骤4提出定子优化模型，建立磁密谐波和电机振动噪声的联系，分析磁密云图分布和气隙磁密谐波构成，通过定子磁通间隙开槽，减小引起较大振动的径向力幅值，进一步抑制振动噪声。
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