基于不对称齿顶结构的电机振动噪声削弱研究.pdf

年第 卷第 期理论研究 于国健等基于不对称齿顶结构的电机振动噪声削弱研究 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()基于不对称齿顶结构的电机振动噪声削弱研究于国健吴胜男(沈阳工业大学 电气工程学院沈阳)摘 要:电机定转子间时空分布复杂的径向电磁力作用于定子齿顶引起电机振动噪声 以一台高速电主轴电机为例用参数化建模方法建立电机定子模型通过利用 神经网络智能算法与有限元方法对电机进行径向电磁力幅值、转矩脉动及平均转矩的初步迭代优化提出一种不对称齿顶的优化结构削弱作用于定子齿顶幅值较大的径向电磁力结果表明该方法可有效降低永磁同步电机的电磁振动关键词:永磁同步电机径向电磁力 神经网络不对称齿顶振动噪声中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:引 言高速电主轴电机对整个工作机床的稳定与精度至关重要低振动、低噪声的高速电主轴用永磁同步电机研究就变得更加有意义定子齿部受径向电磁力波动进而产生振动学者们通过改变定子齿顶结构来抑制振动 文献先运用解析法推导齿顶削角的磁密表达式之后运用有限元法对 种定子齿削角方案对比分析确定了在定子齿四分之一处进行削角时减振降噪效果最好 同样还有通过减小永磁同步电机定子齿厚度或者对定子齿中心进行偏心等方法来减小径向电磁力幅值进而削弱电机振动噪声但是这些方法也会使电磁转矩下降为了解决减小径向电磁力时使得电磁转矩减小的难题更多学者从设计之初就选择开展多目标优化算法来实现转矩增加 文献对电机的定子槽口宽、齿桥根部厚度、齿冠半径以及永磁体极弧系数 个参数对电机的转矩、电磁力进行优化 文献将转子磁钢的极弧系数、磁钢厚度和定转子之间气隙径向距离作为优化参数来进行优化本文分析定子齿顶电磁力分布规律并利用智能优化算法降低电机径向电磁力幅值达到减振降噪的目的 永磁同步电机有限元分析 永磁同步电机结构本文研究的 极 槽高速永磁同步电机的截面图如图 所示 该电机的主要参数如表 所示图 电机截面图理论研究 年第 卷第 期于国健等基于不对称齿顶结构的电机振动噪声削弱研究 表 电机主要结构参数参数数值额定功率/额定电压/额定转速/()定子外径/定子内径/转子外径/转子内径/电机径向电磁力与振动噪声的关系在研究电机电磁振动过程中可以将电机等效成一个机械模型根据机械阻抗理论电机定子铁心振动位移可以表示:()式中:是径向电磁力幅值 是定子轭刚度是定子轭质量 是角频率 振动是噪声的来源噪声不仅与电机表面振动特性相关同时也与周围介质的性质相关 电机表面辐射噪声声功率的表达式:()式中:是定子外表面面积是周围介质密度是定子铁心声辐射系数 是声音在介质中的传播速度 根据式()和式()径向电磁力大小直接影响电机振动水平从而影响辐射噪声因此从源头上降低径向电磁力幅值可以优化电机振动噪声水平 电机径向电磁力有限元仿真分析通过麦克斯韦张量法编辑的电磁力计算结果为径向电磁力密度后文均简称为径向电磁力 在电机气隙圆周内做圆形分析路径可以观测电机径向电磁力的空间分布如图 所示 而对气隙内一点进行时间分析时可以得到电机径向电磁力的时域分布如图 所示图 径向电磁力空间分布图 径向电磁力时域分布电机气隙中的径向电磁力具有时间、空间二维属性因此本文利用时空分布和二维傅里叶分解来分析径向电磁力的时空特性 图 和图 给出了电机负载状态下的二维径向电磁力时空分布及谐波成分特性图 电机径向电磁力时空分布图 电机径向电磁力谐波成分由图 可知径向电磁力在频域上的主要成分为基波频率的偶数倍空间分布的主要成分为电机极对数的偶数倍而电机的振动噪声与径向电磁力幅值成正比与径向电磁力阶数的 次方成反比所以针对图 中幅值较大、阶数较低的径向电磁力进行削弱即可有效地降低电机振动噪声 智能算法迭代优化径向电磁力产生于磁场作用于结构场是引起电磁振动的主要因素而由其引起的定子振动又与径向电磁力阶数 次方成反比削弱低阶径向电磁力的幅值对削弱振动、减小噪声至关重要 而在优化过程中电机结构参数的变化会使电机其他的电 年第 卷第 期理论研究 于国健等基于不对称齿顶结构的电机振动噪声削弱研究 磁性能受到影响所以也要同时考虑电机的转矩与转矩脉动性能 上文对电机径向电磁力分析时其空间分布的波形是空间阶数的分析来源对径向电磁力空间分布的幅值进行削弱就会削弱低阶径向电磁力的幅值 所以本文将以空间分布的径向电磁力幅值、转矩性能作为优化目标以定子齿槽参数为优化变量进行多目标优化达到抑制电机振动噪声的目的通常来说参数化建模定子模型之后进行数值迭代优化时需要每一次都根据参数的变化建立新的定子模型之后再进行求解计算计算结果准确性高但是在模型数量较多时计算时间比较缓慢而田口法缩小模型计算数量的方法又不能直接选择最优方案 本文利用智能算法 神经网络模型进行电磁力、平均转矩和转矩脉动的迭代优化 神经网络可以通过样本数据的训练实现 个输入参数到 个输出参数之间非线性关系的映射 本文通过有限元计算 组数据作为模型的训练数据及预测数据样本数据如表 所示 数据的预测变量为电机定子内径、定子槽肩高 和槽口宽度 响应变量为径向电磁力、平均转矩及转矩峰峰值表 神经网络训练和测试样本/转矩/()转矩脉动/()电磁力/()取其中 组结果作为训练集训练集其中为实验数据以剩余 组数据为测试集最终 神经网络模型其结构如图 所示具有 个输入个输出 个隐含层节点图 神经网络预测模型表 为训练数据和仿真数据对比 可以看出预测具有较高的精度之后通过训练好的 神经网络模型代替有限元软件进行迭代计算并利用多目标遗传优化算法得到径向电磁力幅值、转矩和转矩峰峰值的 前沿如图 所示优化前后的定子参数如表 所示表 预测数据与仿真数据对比转矩/()转矩峰峰值/()电磁力/()仿真预测仿真预测仿真预测 图 前沿图表 优化前后定子参数参数优化前优化后定子内径/槽口宽度/定子槽肩高/为了验证上述方案的优化效果分别对优化前后的电机进行建模并分析了电机性能的对比如表 所示理论研究 年第 卷第 期于国健等基于不对称齿顶结构的电机振动噪声削弱研究 表 优化前后电机性能对比结构平均转矩/()转矩脉动 电磁力/()原电机 多目标优化 通过表 可以发现在对原电机进行多目标优化后平均转矩有所下降从优化前的 下降到 降低了 优化后转矩脉动由 降低到了 且电磁力幅值由 降低到了 降低了 即改变齿槽参数后电机的径向电磁力幅值被有效削弱了 减振结构设计进一步对优化后的电机定子结构进行优化定子齿所受的径向电磁力是时空属性的本节将根据此分布规律提出减振降噪方法 因为电机径向电磁力在电机圆周上不断旋转呈周期性故只分析电机一个定子齿即可 分析路径如图 所示不同时刻下的径向电磁力空间分布规律如图 所示图 定子齿顶分析路径示意图图 不同时刻径向电磁力空间分布图 给出了在一个定子齿下不同时刻的径向电磁力空间分布从图 中可以看出在电磁力稳定的时间段一个齿顶下的大部分电磁力从左到右呈现先降低再不变再增加的趋势且增加时的趋势更加明显在 个时间点内少量时间下的齿顶径向力一直呈现上升趋势这是因为转子位置变化导致径向电磁力由低幅值到高幅值所以在考虑多数时间点下的径向电磁力齿顶左右两端受到较大的径向电磁力且左右受力也不均匀容易弯曲变形当认为类型二的径向电磁力引起振动的权重更大时可以采用定子齿两端削角的方式改变定子齿图 两种不同分布规律下磁阻有利于削弱幅值较大的径向电磁力达到抑制电机振动的目的 具体的定子齿结构优化示意图如图 所示图 不对称齿顶结构示意图由图 看出在齿顶下左右两端径向电磁力幅值发生改变的占比都为 在齿顶长度为 的情况下即 取 固定不变而在采用对称齿顶的情况下在削角时气隙磁密和径向电磁力则会随之减小 所以 从 到 每 进行削角 定子齿不同削角方案下径向电磁力幅值以及转矩对比如表 所示表 对称削角方案对比方案/电磁力/转矩/()转矩脉动/()当采用不对称齿削角时即 不相等时不同方案电磁力幅值、转矩对比如表 所示 年第 卷第 期理论研究 于国健等基于不对称齿顶结构的电机振动噪声削弱研究 表 不对称削角方案对比方案/电磁力/()转矩/()转矩脉动/()由图 和图 可以发现当对称齿顶结构的方案与不对称齿顶结构的方案 相同时两种结构具有相近的转矩而不对称结构 的增大则进一步减小了电磁力幅值 所以最终采用不对称齿顶结构的方案 即 此结构的优化结果与原电机径向电磁力对比如图 所示 可以看出在算法优化及采用不对称齿顶结构后电机径向电磁力各阶幅值有了明显的下降图 对称削角方案优化目标的变化图 不对称削角方案优化目标的变化 振动噪声分析本节基于 有限元仿真平台进行电机振动与噪声仿真验证上文提出的算法优化与结构优化相结合的效果 二维有限元仿真的电磁力结果导入进谐响应模块是在三维电机结构的定子齿面以集中力的形式显示同时结果的导入也有转矩的结果定子齿面的转矩分布和电磁力分布如图 和图 所示图 径向电磁力空间分布对比及谐波对比图 转矩分布示意图图 电磁力分布示意图振动分析的过程是将电机机壳外表面作为电机振动加速度的分布部分在设置中使谐响应分析模块中频率的设置与电磁分析中的时间相对应同时对电机机壳的螺孔施加固定约束 通过仿真可以得到电机在 /的振动加速度结果将优化前后电机振动加速度结果进行对比如图 所示由图 可以看出通过优化定子结构并结合不对称齿顶结构可以有效地降低电机的振动加速度最大值降低了 将优化后的电机进行相应的噪声仿真得到距电机 一点的优化前后声压级结果如图 所示理论研究 年第 卷第 期于国健等基于不对称齿顶结构的电机振动噪声削弱研究 图 优化前后的电机振动加速度对比图 优化前后噪声对比从图 和图 可以发现本文采用多目标优化与不对称削角结构相结合削弱了定子齿顶下幅值较大的径向电磁力达到了抑制电机振动噪声目的 电机经过优化后振动加速度与噪声声压级有下降振动加速度最大值降低 噪声声压级值由 下降到 降幅为 为了验证上述的分析结果通过实验测试了电机 /时的振动特性实验平台如图 所示图 振动实验平台电磁振动有限元仿真谐响应结果与实验结果对比如图 所示由图 可以发现电机振动加速度的仿真结果与实验结果存在一定偏差但是仿真结果可以反映出电磁振动加速度随频率的变化趋势 仿真模型用于评估电磁振动而忽略了实际定子复杂几何结构图 电机振动加速度仿真与实验结果对比的影响 此外实验结果不仅包括电磁振动还包括机械振动 综上所述实验结果与模拟结果吻合较好可以证明仿真计算的有效性 结 语本文采用智能迭代算法可以有效地加大计算的样本量并减少运算时间而采用不对称齿顶的结构可以有效地降低电机的径向电磁力幅值从而减小了电机的径向电磁力谐波分量降低了电机的振动与噪声为削弱电机电磁振动的分析提供了参考参考文献 李晓华黄苏融张琪.电动汽车用永磁同步电机定子结构固有频率分析.中国电机工程学报():.李岩李双鹏周吉威等.基于定子齿削角的近极槽永磁同步电机振动噪声削弱方法.电工技术学报():.():.谢颖李飞黎志等.内置永磁同步电机减振设计与研究.中国电机工程学报():./():.林帅宋正东占冬至.基于田口法的永磁同步电机单磁回路结构优化.机电工程技术():.邱瑞林华青松张洪信等.基于田口法的永磁同步电机转子优化设计.青岛大学学报(工程技术版)():.朱庭辉.内置式永磁同步电机径向电磁力优化设计与振噪特性研究.镇江:江苏大学.作者简介:于国健()男硕士研究生研究方向为永磁电机电磁振动噪声吴胜男()通信作者女副教授研究方向永磁电机电磁设计和多物理场仿真分析