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非晶合金永磁电机的电磁振动噪声筹算与阐发

来源:鸿运,鸿运游戏,鸿运电子游戏发布时间:2019/09/19点击数:

  鸿运电子游戏平台电动汽车的研制成为汽车发展的必然趋势,电动汽车的关键技术之一是电机技术。将非晶合金材料应用在电机定子铁芯上,对其损耗和磁通密度脉动进行研究和分析,得知非晶合金定子电机损耗小于硅钢片电机,磁通密度脉动稳定性好于硅钢片。通过装在概念车测试,非晶合金电机概念车的续航里程比硅钢片电机的长,非晶合金电机的平稳性更好些。本文工作的作者为宁波工程学院朱佳瑶。

  将非晶合金作为电机的铁芯材料,可使铁芯损耗显著下降,提高能量转换效率,且其密度小于硅钢片,可以减小电机的重量。然而其磁致伸缩系数远大于硅钢片,使得其不能被过分压紧,且厚度极薄、脆性大,严重影响电机的电磁振动噪声。因此,非晶合金电机的研究需关注其振动噪声。

  1978 年,美国通用电气公司首次申请了非晶定子铁芯的专利。国内外研究表明:电磁力波作用于定子部分是引起电机振动的主要原因,磁致伸缩引起的电机振动较小;转子部分的刚度通常较大,引起的振动噪声相对较小,电机振动的研究中通常只关注气隙中产生的电磁力波对定子部分和底座的影响。吴胜男等通过有限元计算和实验测试相结合的方法,分析了电磁力、磁致伸缩及铁芯叠片压紧力对非晶电机振动性能的影响,研究表明弹性模量较低是非晶电机振动性能不如传统硅钢电机的主要原因;钟星鸣等研究了非晶变压器的振动性能,结果表明采用非晶铁芯使得变压器振动加剧,可以通过固定或支撑的方法稳固非晶变压器以降低噪声;2010 年,日立公司研发出了一款卷绕非晶定子铁芯电机,其铁芯由多个非晶模块组合而成,该结构改善了振动噪声却增大了涡流损耗,降低了电机效率;杨浩东等通过有限元方法计算了永磁电机的电磁力波,分析了电机结构参数对电磁振动的影响,提出了采用增大极弧角度、增大隔磁桥宽度、采用磁极偏心等来降低电磁力波的方法;法国VEREZ G 等通过有限元方法,计算了气隙磁密及电磁力,研究表明磁路轴向对称的电机可以采用2D有限元计算并达到较高的精度。

  目前,电机的振动噪声研究主要有以下几个方面:研究电机的固有频率和振动模态以避免共振的发生,计算电机的电磁力波,研究电磁力波引起的电机的谐响应,研究磁致伸缩引起的电磁振动,研究加工工艺对电机振动噪声的影响等。有关非晶电机电磁振动的研究相对较少。

  本文基于日立金属公司提供的非晶合金Met-glas2605SA1的性能参数,以一台550 W 的小型永磁电机为样机,利用 ANSYS Maxwell 与 Workbench 有限元分析软件,通过电磁 ̄结构 ̄流体耦合的方法,计算定子铁芯振动的速度、加速度和位移,进而计算出非晶电机周围的噪声等级,与硅钢电机对比分析非晶合金材料对电机电磁噪声的影响。

  电机内部气隙处各阶磁场相互作用,在定子齿部表面形成垂直于切面的径向电磁力波和平行于切面的切向电磁力波。径向电磁力波产生电磁振动,切向电磁力波形成电磁转矩作用于定子齿部。电机内部电磁场的分布确定之后,根据Maxwell 张力公式,定子齿端表面的电磁力密度可以表示为:

  式中:pr—径向电磁力密度,Pa;pt—切向电磁力密度,Pa;Br—气隙处径向磁密,T;Bt— 气隙处切向磁密,T;μ0—真空磁导率。

  电机气隙处的切向磁密远小于径向磁密,因而可以忽略切向磁密的作用。由式(2) 可以看出:切向电磁力密度很小,电磁转矩对定子部分振动的影响非常有限。在 Maxwell 与 Workbench 的联合仿真中,电磁场计算完毕后通过气隙磁密计算得到电磁力的大小,然后直接将电磁力映射在定子齿部的节点上作为电磁振动的载荷,在结构场中进行动力学计算和分析。

  电磁力波作用于定子齿面,引发定子轭部以及机壳部分以相同的频率振动,引起电机周围空间的气体流动从而产生噪声。定子及机壳部分具有刚度和质量,进行结构分析时将定子简化为一个圆筒型壳体。根据 Hamilton 函数以及应力—-应变的关系,结构场域的有限元求解计算满足下式:

  式中:M— 质量矩阵;C— 阻尼矩阵;K— 刚度矩阵;u— 单元节点的位移矢量矩阵;F— 激励载荷矢量。

  在电机的周围建立噪声分析区域,引入电机表面的振动速度作为电机周围声场计算分析的载荷来源。计算电磁噪声时,将电机简化为一个简单的圆柱体,则其辐射声强、声压与声强的换算关系为:

  式中:I— 声强,W.m-2;P— 声压,Pa;ρ— 空气的密度,kg.m-3;fn—n阶固有频率,Hz;An— 第n阶振动位移,m;Icn— 相对声强系数,常数;c— 声速,m/ s;Z0—空气的特性阻抗(等于 ρc),kg.m-2.s-1。

  传统电机通常采用冷轧硅钢片作为铁芯材料。为了便于分析非晶合金材料的特点,本文选择性能较好的冷轧硅钢片与非晶合金带材进行对比。

  非晶合金 Metglas2605SA1 带材与冷轧硅钢片DW310_35的性能参数如表1所示。

  表 1非晶合金 Metglas2605SA1带材与冷轧硅钢片 DW310_35 的性能参数

  从表1中可以看出:虽然非晶材料的饱和磁感小于硅钢片,但是其可以在较小的磁场下迅速达到饱和,具有很高的有效磁导率 ;非晶材料具有电阻率小、矫顽力小及厚度薄的优点,作为铁心材料可使铁耗大幅下降;非晶材料密度小,有利于降低电机的重量;此外,可以看出非晶带材的弹性模量远小于硅钢片,故而其更容易发生形变。

  由于非晶合金带材的宽度较窄,笔者选择一台功率为 550 W 的小型永磁电机为例。

  本研究在 ANSYS Maxwell 软件中建立电机的二维电磁场有限元模型,采用 Metglas2605SA1 带材作为定子铁芯材。