永磁有刷直流电动机电磁振动与噪声的分析

目录

摘要.................................................................. I ABSTRACT ............................................................... III 目录................................................................ VII 插图索引 ................................................................ XI 表格索引 ................................................................ XV 符号对照表 ............................................................ XVII 第一章 绪论 . (1)

1.1前言 (1)

1.2电机振动、噪声的分类和来源 (2)

1.2.1 电机的机械噪声 (2)

1.2.2 电机的空气动力噪声 (3)

1.2.3 电机的电磁噪声 (3)

1.3本文的研究对象 (3)

1.4永磁电机电磁振动与噪声研究现状和发展趋势 (4)

1.4.1 电机电磁力 (4)

1.4.2电机结构的模态分析 (6)

1.4.3电磁力激励下的振动和噪声 (7)

1.5存在的问题 (9)

1.6本文的研究内容 (9)

第二章 永磁有刷直流电机的磁场与电磁力 (11)

2.1电机气隙磁场的解析模型 (11)

2.1.1 开路气隙磁场 (12)

2.1.2 电枢反应磁场 (17)

2.1.3 合成气隙磁场 (21)

2.2电机电磁力的解析模型 (24)

2.2.1 麦克斯韦尔应力张量法分析电机径向电磁力 (25)

2.2.2通过齿槽转矩分析电机切向电磁力 (27)

2.3电机气隙磁场与电磁力的有限元分析 (31)

2.3.1 二维有限元模型 (32)

2.3.2 有限元建模过程及技术要点 (33)

2.3.3 电磁场与电磁力的计算结果 (35)

2.4气隙磁场与电磁力的实验验证 (39)

2.5本章小结 (41)

第三章 永磁有刷直流电机的结构模态分析 (42)

3.1解析法分析定子的固有频率与振型 (42)

3.1.1 解析模型的局限性与研究意义 (42)

3.1.2 经典壳体模型 (43)

3.2三维有限元法精确预测电机模态参数 (48)

3.2.1 三维有限元结构模型 (48)

3.2.2 建模过程及技术要点 (49)

3.2.3 电机模态参数的计算结果 (53)

3.3实验法识别电机模态参数 (56)

3.3.1 实验设备、参数设置与传感器布置 (56)

3.3.2 Circle-fit法计算模态参数 (58)

3.3.3 电机模态参数的测量结果 (60)

3.4本章小结 (63)

第四章 永磁有刷直流电机的电磁振动 (64)

4.1解析法分析电机的电磁振动 (64)

4.1.1 解析模型的局限性与研究意义 (64)

4.1.2 模态叠加法 (65)

4.1.3 简化定子结构在电磁力作用下的受迫响应 (68)

4.1.4 简化定子结构的受迫响应解析模型的有限元验证 (78)

4.2有限元法精确计算电机电磁振动 (86)

4.2.1 电机电磁力的改进有限元模型 (87)

4.2.2 电机的电磁振动 (91)

4.3测量永磁电机的电磁振动 (100)

4.3本章小结 (100)

第五章 永磁有刷直流电机的电磁噪声 (101)

5.1边界元法精确计算电机电磁噪声 (101)

5.1.1 边界元基本理论 (101)

5.1.2 永磁电机边界元模型 (102)

5.1.3 由噪声测点确定边界元模型场点 (106)

5.1.4 边界元模型的计算结果 (108)

5.2电机电磁噪声的分布 (109)

5.3本章小结 (113)

第六章 转子偏心与胶水对电机电磁振动和噪声的影响 (114)

6.1转子偏心对电机电磁振动和噪声的影响 (114)

6.1.1 偏心对电机磁场和电磁力的影响 (114)

6.1.2 偏心对电磁振动的影响 (118)

6.1.3 偏心对电磁噪声的影响 (120)

6.2胶体对电机噪声分布的影响 (121)

6.2.1 结构模态参数引发噪声偏差 (122)

6.2.2 胶水引发结构模态参数偏差 (122)

6.3本章小结 (124)

第七章 总结与展望 (125)

7.1总结 (125)

7.2展望 (127)

附录A 电机M1模态参数的原始测量数据 (129)

附录B 振动算子的完整形式 (131)

附录C 电机电磁力的展开式 (132)

参 考 文 献 (133)

致谢 (147)

攻读学位期间发表的学术论文 (149)

插图索引

图1 - 1 电机噪声源 (2)

图1 - 2 永磁有刷直流电动机 (4)

图1 - 3 永磁有刷直流电动机电磁振动与噪声的建模过程 (10)

图2 - 1 永磁有刷直流电动机的示意图 (11)

图2 - 2 永磁体内表面处的开路径向气隙磁通密度 (16)

图2 - 3 计算由单匝线圈产生的气隙磁场的模型 (18)

图2 - 4 计算由等效面电流产生的气隙磁场的模型 (19)

图2 - 5 永磁体内表面处的径向电枢反应场 (21)

图2 - 6 永磁体内表面处不同时刻的气隙相对磁导 (23)

图2 - 7 永磁体内表面处不同时刻的瞬时径向气隙磁场 (23)

图2 - 8 作用在永磁体内表面上不同时刻的瞬时径向电磁力 (26)

图2 - 9 永磁体内表面中心点上的径向电磁力的时域波形 (26)

图2 - 10 永磁体内表面中心点上的径向电磁力的频域波形 (27)

图2 - 11 分析作用在转子齿j上的合成转矩的示意图 (29)

图2 - 12 永磁有刷直流电机的齿槽转矩 (30)

图2 - 13 切向电磁力的谐波分量 (31)

图2 - 14 二维实体模型 (33)

图2 - 15 不锈钢和硅钢片的B-H曲线 (34)

图2 - 16 永磁有刷直流电机网格模型 (35)

图2 - 17 永磁有刷直流电机磁力线分布 (36)

图2 - 18 永磁有刷直流电机径向磁通密度分布 (36)

图2 - 19 比较永磁体内表面处径向电枢反应磁场的解析解和数值解 (37)

图2 - 20比较永磁体内表面处径向合成气隙磁场的解析解和数值解 (37)

图2 - 21 永磁体有刷直流电机内电磁力分布 (38)

图2 - 22 作用在永磁体内表面上和转子齿上的电磁力 (38)

图2 - 23比较永磁体内表面处径向电磁力的理论解和有限元计算结果 (39)

图2 - 24 比较齿槽转矩的解析解、有限元结果和测量结果 (40)

图3 - 1 薄壳示意图 (43)

图3 - 2 永磁有刷直流电机 (50)

图3 - 3 粘结永磁体与定子的环氧树脂胶 (50)

图3 - 4 永磁有刷直流电机有限元模型的三维剖视图 (51)

图3 - 5 连在电机端盖上的COMBIN14弹簧单元 (52)

图3 - 6 永磁有刷直流电机的模态振型与固有频率 (54)

图3 - 7 永磁有刷直流电机在低频段的模态振型与固有频率 (55)

图3 - 8 锤击法测量电机结构模态参数 (56)

图3 - 9 定子外表面上布置的加速度测量点 (57)

图3 - 10 在固有频率ωr附近的Nyquist圆 (59)

图3 - 11 定子外壳上12个测量点处的机械导纳曲线 (61)

图3 - 12 固有频率为3110 Hz的模态振型 (62)

图3 - 13 固有频率为4700 Hz的模态振型 (62)

图3 - 14 固有频率为5296 Hz的模态振型 (62)

图3 - 15 固有频率为5929 Hz的模态振型 (62)

图3 - 16 两台相同型号尺寸的永磁有刷直流电机 (63)

图4 - 1 不同（m s，n s）组合下的定子壳体模态振型 (80)

图4 - 2 定子在电磁力激励下的受迫响应 (81)

图4 - 3 0.3s内定子壳体的位移振动 (81)

图4 - 4 厚壁定子的6阶模态振型 (84)

图4 - 5 厚壁定子在电磁力激励下的受迫响应 (85)

图4 - 6 不等厚永磁有刷直流电机示意图 (87)

图4 - 7 不等厚永磁有刷直流电机的实体模型 (88)

图4 - 8 不等厚永磁有刷直流电机的有限元模型 (88)

图4 - 9 永磁有刷直流电机的磁力线分布 (88)

图4 - 10 永磁有刷直流电机的磁通量密度分布 (88)

图4 - 11 对比不等厚永磁体电机与理想永磁体电机的气隙磁通密度 (89)

图4 - 12 作用在右侧永磁体内表面上的径向和切向电磁力 (90)

图4 - 13 比较齿槽转矩的测量结果与改进有限元模型的计算结果 (90)

图4 - 14 计算永磁有刷电机电磁振动的流程图 (91)

图4 - 15 匹配二维电磁场模型与三维结构模型的流程图 (94)

图4 - 16 永磁有刷直流电机三维结构模型上的电磁力分布 (95)

图4 - 17 转速为4260 rpm的M2电机外表面上P点处的加速度 (97)

图4 - 18 对比M2电机P点上加速度的计算结果与测量结果以验证三维动态模型. (98)

图4 - 19 加速度测量现场照片 (100)

图5 - 1 计算永磁有刷直流电机电磁振动与噪声的流程图 (103)

图5 - 2 从ANSYS 12.1中导出到SYSNOISE 5.6中的边界元模型 (104)

图5 - 3 转换节点速度流程图 (105)

图5 - 4 半消声室中测量永磁电机声压级的现场照片 (106)

图5 - 5 半消声室内背景噪声 (107)

图5 - 6 边界元模型中的场点面 (108)

图5 - 7 比较永磁电机M1的声压级的测量结果与SYSNOISE仿真结果 (108)

图5 - 8 永磁有刷电机在852 Hz（12f r）处的电磁振动与噪声 (109)

图5 - 9 永磁有刷电机在1704 Hz（24f r）处的电磁振动与噪声 (110)

图5 - 10 永磁有刷电机在2556 Hz（36f r）处的电磁振动与噪声 (111)

图5 - 11 永磁有刷电机在3408 Hz（48f r）处的电磁振动与噪声 (111)

图5 - 12 永磁有刷电机在4260 Hz（60f r）处的电磁振动与噪声 (112)

图5 - 13 永磁有刷电机在5112 Hz（72f r）处的电磁振动与噪声 (112)

图5 - 14 永磁有刷电机在5964Hz（84f r）处的电磁振动与噪声 (112)

图6 - 1 有静态偏心转子和锥形永磁体的永磁有刷直流电机 (115)

图6 - 2 偏心永磁有刷电机的有限元模型和磁力线分布 (116)

图6 - 3 在气隙半径20.9 mm处比较转子有/无偏心时永磁电机的气隙磁通密度 (116)

图6 - 4 转子转达0?角位置时比较永磁内表面上有/无偏心时永磁电机的电磁力 (117)

图6 - 5 右侧永磁体中心上有/无偏心时电机电磁力的谐波分量 (118)

图6 - 6 不同转速下永磁电机M2有/无偏心时机壳外表面中部的电磁振动 (119)

图6 - 7 两台同型号永磁有刷直流电机的电磁噪声 (121)

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表格索引

表2 - 1 永磁有刷直流电机（1999-5YY0322）的参数 (16)

表3 - 1 电机材料参数 (51)

表3 - 2 两台同型永磁有刷直流电机的4阶模态参数 (63)

表4 - 1 定子壳体固有频率的理论解和数值解 (78)

表4 - 2 两端简支厚壳的固有频率的理论解与数值解 (83)

表6 - 1 电机M1，胶体厚度: 0.1 mm (123)

表6 - 2 电机M2，胶体厚度: 0.4 mm (123)

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上海交通大学博士学位论文

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上海交通大学博士学位论文 符号对照表 符号对照表

B rem 剩余磁通密度 PM-slotless

r B 径向开路气隙磁场 μr 相对回复磁导率 arm-slotless

r B 径向电枢反应场 μ0 自由空间磁导率 r B

径向合成气隙磁场 p 极对数 PM r F 永磁体径向电磁力

αp 极弧系数 t-cog F 永磁体切向电磁力

R s 定子内径 T cog 齿槽转矩

R m 永磁体半径 u x 定子轴向位移

R r 转子半径 u 3 定子径向位移

R o 转子外径 u θ 定子切向位移

R i 齿槽内径 m s 定子轴向模数

b 0 槽宽 n s

定子周向模数 h 槽口高 ρ

定子密度 d 齿根宽 h

定子厚度 N t 每槽匝数 a 定子中面半径

l

定子有效长度 s s m n i ω 定子固有频率 Z

齿数 k 定子模态阶数 α0

槽口开角 ωl 电磁力频率 α

电角度 l 电磁力波模数 θ

机械角 P l 电磁力幅值 i a 电枢电流 s m li ζ 定子结构模态阻尼比

λ 气隙相对磁导 f r 电机转速

τt 转子齿距 L pi 测量点i 的声压级

K c 卡特系数

e 静态偏心率 zkq 20150910