线圈连接方式对开关磁阻电机振动噪声的影响.pdf

第3 7 卷第2 期 2 0 0 8 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo lC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 7N o ．2 M a r ．2 0 0 8 线圈连接方式对开关磁阻电机振动噪声的影响 刘闯1 ，周强1 ，唐超2 ，朱学忠1 1 ．南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室，江苏南京2 1 0 0 1 6 ， 2 ．艾默生网络能源有限公司，浙江杭州3 1 0 0 1 3 摘要开关磁阻电机由于结构简单、坚固等优点而得到广泛的应用，但是显著振动和噪声的问题 在一定程度上限制了开关磁阻电机的应用，针对电机实际运行过程中存在的转子偏心现象，分析 了不同线圈连接方式下，转子偏心对气隙磁场的影响，建立了开关磁阻电机转子偏心的有限元瞬 态分析模型，研究了线圈连接方式对瞬态的单边磁拉力，结果表明当线圈并联时产生的单边磁 拉力要小于线圈串联时产生的单边磁拉力．采用全并联的线圈连接方式，将有利于减小电机运行 时的振动噪声． 关键词开关磁阻电机；径向力；单边磁拉力；振动噪声 中图分类号T M3 5 2文献标识码A文章编号i 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 2 0 2 6 5 0 5 I n f l u e n c eo fW i n d i n gC o n n e c t i o no nV i b r a t i o na n d A c o u s t i cN o i s eo fS w i t c h e dR e l u c t a n c eM a c h i n e L I UC h u a n 9 1 ，Z H o UQ i a n 9 1 ，T A N GC h a 0 2 ，Z H UX u e - z h o n 9 1 1 ．A e r o - t e e hP o w e rC e n t e r ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s ，N a n j i n g ，J i a n g s u2 1 0 0 1 6 ，C h i n a 2 ．E m e r s o nN e t w o r kP o w e rC o ．L t d ，H a n g z h o u ，Z h e j i a n g3 1 0 0 1 3 ，C h i n a A b s t r a c t S w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e S R M p o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g e si nd i f f e r e n to c c a s i o n s u c ha ss i m p l es t r u c t u r ea n dh i g he f f i c i e n c y ．H o w e v e r ，d i s t i n c tv i b r a t i o na n da c o u s t i cn o i s er e - s t r i c ti t sa p p l i c a t i o n ．B e c a u s eo fe c c e n t r i cr o t o ro fS R M ，a s y m m e t r i c a la i r g a pf l u xd i s t r i b u t i o n s a n du n b a l a n c e dm a g n e t i cf o r c eo fw i n d i n g sw i l lb ep r o d u c e du n d e rd i f f e r e n tw i n d i n gc o n n e c t i o n m e t h o d s ，w h i c hw i l ld e t e r i o r a t ev i b r a t i o na n da c o u s t i cn o i s eo fS R M ．At r a n s i e n tf i n i t ee l e m e n t m o d e l F E M o fS R Mw i t he c c e n t r i cr o t o rw a se s t a b l i s h e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu n b a l a n c e dm a g n e t i cf o r c eo ft h ep a r a l l e lc o n n e c t i o nw i n d i n gm o d ei sl e s st h a nt h a to fs e r i e sc o n n e c - t i o nw i a d i n gm o d e ．T h ef u l l p a r a l l e l e dw i n d i n g sc o n n e c t i o nc a nr e d u c ev i b r a t i o na n da c o u s t i c n o i s eo fS R Me v i d e n t l y ． K e yw o r d s s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ；r a d i a lf o r c e ；u n b a l a n c e dm a g n e t i cf o r c e ；v i b r a t i o n a n da c o u ￡；t i cn o i s e 开关磁阻电机 s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ， S R M 与传统电机相比，具有结构简单，调速性能 优异，效率高，可靠性好等优点，但振动噪声问题制 约了它的发展和在相关领域的应用，是目前S R M 研究的难点和热点之一2 。． S R M 运行时，双凸极的定、转子磁极问存在脉 动的切向和径向磁拉力，脉动的切向磁拉力产生脉 动的电磁转矩，它使转子运行不平稳，产生振动和 噪声．电磁转矩脉动曾一度被视为S R M 噪声的主 要成因，而现有的研究表明S R M 定子受到径向磁 收稿日期2 0 0 7 0 7 一0 3 基金项目同家自然科学基金项目 5 0 4 0 7 0 0 3 ；江苏省高技术项目 B G 2 0 0 5 0 0 7 作者简介刘闯 1 9 7 3 一 ，男，，安徽省滁州市人副教授。博士，从事高速开关磁阻电机设计及控制方面的研究． E - m a i l l c n u a a ．e d u ．e nT e l 0 2 5 - 8 4 8 9 2 6 0 5 万方数据 2 6 6中国矿业大学学报第3 7 卷 拉力作用而产生的振动和变形才是噪声的主要根 源∽] ，特别当径向磁拉力的谐波频率和定子的固有 频率一致时，电机的振动和噪声明显增大[ 3 ] ．因此， 研究电机定子振动特性对于降低电机噪声有着非 常重要的作用[ 4 1 5 ] 国内外学者针对S R M 电机本体设计和控制 策略，提出了很多方法来改善S R M 的振动和噪声 问题，取得了一定的成效印- 9 J ．但电机带载运行时， 特别是重载时，由于电机机械加工精度或者轴承磨 损等问题，必然使转子产生偏心，导致其气隙不均． S R M 的气隙很小，且气隙的磁导率远小于铁磁材 料，气隙的细微变化就可能引起气隙磁通分布的较 大变化，从而产生较大的径向磁拉力差，即出现单 边磁拉力，使得S R M 的振动和噪声恶化u 0 。， 特别对高速／超高速S R M ，周期脉动的单边磁 拉力还会对电机转子动力学性能带来不利影响，将 降低S R M 的高速性能[ 1 ．已有学者对S R M 线圈 连接方式对单边磁拉力的影响进行了研究，得出了 “线圈并联有利于减小的转子偏心带来的影响，减 小S R M 运行时的振动噪声”这一结论[ 12 。，但由于 当时分析条件的限制并未进行全面的论证分析． 本文以三相1 2 ／8 结构S R M 样机为例，建立 了转子偏心的有限元瞬态分析模型 考虑了相间互 感和线圈电阻等参数的影响 ，通过理论分析、有限 元仿真分析以及振动实验，论证了上述结论的正确 性，所采用的瞬态有限元分析方法，对S R M 的径 向力计算以及振动噪声的相关研究都具有一定的 参考价值． 1 理论分析 本文以三相1 2 ／8 结构S R M 为例进行说明． 由于该电机每相绕组由4 个线圈通过一定的连接 方式组成，选取不同的串并联支路数可形成线圈全 串联、两并两串和全并联等3 种连接方式．为了简 化分析，这里仅以一相绕组 A 相 进行说明，同时 仅对线圈全串联和全并联这2 种最典型的线圈连 接方式进行对比分析，2 种线圈连接分别如图l a ，b 所示． 由于电机气隙很小，根据电磁力基本理论，定 转子齿间的电磁力可以表示近似为 11 戚 F 一壶B 2 s 一壶竺S ， 1 式中F 为定、转子齿间的电磁力；B 为气隙的磁感 应强度；S 为磁路的有效截面积；垂为气隙磁通．可 见，定、转子间产生的电磁力大小与气隙磁通垂的 平方成正比． 斛 a 线圈全串联 b 线圈全并联 图11 2 ／8 结构S R M 绕组线圈连接图 F i g ．1W i n d i n gc o n n e c t i o nm o d eo f1 2 ／8s t r u c t u r eS R M 忽略定转子铁心磁阻和绕组相间互感的影响， 图1 所示2 种线圈连接方式对应的A 相等效磁路 都可简化为图2 所示．M 。～M 0 为A 相4 个线圈 产生的磁势，P 。，～P “为A 相4 个定子齿极对应的 气隙磁导，或t ～或。为A 相4 个定子齿极对应的气 隙磁通，对称情况下有 垂0 钆P 酊 N i 即P 酊， 2 式中N 为线圈匝数；i 酊为线圈．f 的电流 ．『一1 ～ 4 ． 定子 [ - _ 二工二_ _ 二[ - ] ‰ ％ ‰ 转子 图2A 相等效磁路 ．F i g ．2 A m a g n e t i ce q u i v a l e n tc i r c u i t 现假设电机运行时转子向上偏心 且偏心量与 电机气隙长度相比足够小 ，则气隙1 长度减小，相 应气隙3 长度增大，而认为气隙2 和气隙4 长度不 变．因此 P 。l P a 2 P 。3 P “． 3 当线圈全串联时，i 。。 i a z i 格一i “，再由式 2 和式 3 有 垂。1 零a 2 4 k 3 中。4 ． 4 因此气隙1 处的磁拉力将大于气隙3 处的磁 拉力，存在向上的单边磁拉力，将加剧定子的变形 和振动．由此可见线圈全串时，转子越是向上偏心， 转子上齿所受向上的径向力越大，使转子得偏心有 恶化的趋势． 当线圈全并联时，线圈两端的电压相等，即有 U 。1 U a 2 U a 3 一U “， 5 对任意线圈有以下电压平衡方程式 u 可一i 巧R 一掣} 一N 等} ， 6 万方数据 第2 期刘闯等线圈连接方式对开关磁阻电机振动噪声的影响2 6 7 二群篓篓慧烹爹詈竺竺三霎竺彗詈皇曼椰嚣篙絮耄．p ∑, j ≥j 嚣誓言蒜差票 竺翼竺’竺套妻堡篓 曼攀三曼蝥堂置曼曼箩 琵蕃，磊苌茬荔葛芸矗相等，塞鼻寻纂言主美乌 釜至套』2 凳子篓竺竺笔曼’鬯置璺缨璺黑 ；箍。葛i 喜蔷热。支三鏊军爵磊蔷盂磊。i 苎慧曼愁冀旱皂氅念’曼懋 耄蔷赫蓑5 ‘三．崔赢三磊差磊誉菇，至 奎登罂。鉴懋、氅罂竺苎苎耋奎’苎荔黼算嘉；茹磊写三焉壶 兰竺翼苎{ 慧矍烹毒袈要登墨璧矍竺粤’篓孬乏萏苯；素茎葫磊主了善藉羔爵采；‘主磊磊 竺三譬警竺登圈苎鎏曩奎堂竺三量冀挈犁二釜 茹磊苯磊茹再菇≮赫“, B ⋯辛H 8 4 。朱磊昌茬兰翥 曼曼苎萋譬耄奎’算銎竺嘎慧兰笺卅∑苎竺蓄磊宗i 善鬲芏吾；复o ，m m ≤荔莩蒿； 警苎苎譬翌譬孽尘．曼黑笺曼芝要氅曼乏三曼墨磊柔骂名磊高嘉嚣；藻≤釜发生磊≤≤花粪 霎窆兰竺皂曼曼冀跫．鬟曼，霎竺竺翌璧兰苎苎篓翌 ；赢蒌i 蓑蒿7 ≥荔蔷葛≥夏篡；篡言““ 。 蓥乏篓芰。堡苎小竺鬯．氅雩毫乏置隙竺查竺竺警环菱茗羞蔷；薹舅姜苄矗差；磊嘉葛≥击得的 要’、置些曼拿苎耋竺兰莹竺耋圣袭皂．曼篓三线圈；。茹磊；i 蓍薹≥。女；葛j 磊篙。；簖票’言4 ⋯a 竺竺紫窆恐竺皇三翌翌三譬翌釜曼苎竺竺鬈竺塑雾荔苫兰；衰爵鬟蔷≤磊主嘉，’茹箍靠’揣， 翌警竺’线圈并联所产生的单边磁拉力要远小于线 凳磊着磊；嘉蔷 雾萎菖至算蔷磊蔷鼍茹i 1 4 1 2 l O 瑭8 越6 ’ 4 2 O 7 螽 翟 角度／ o 角度／ 。 a 线圈全串联 b 线圈全并联 图4B 相各线圈电流仿真波形 F i g ．4 W a v e f o r mo fp h a s ec u r r e n ti ns i m u l a t i o n 2 种线圈连接方式下转子齿受到的磁拉力和图6 中可以发现线圈全并联时的单边磁拉力并不 转子铁心受到的单边磁拉力对比如图5 ，6 所示．图为零，但要远小于线圈全串联时．这正是由于瞬态 5 可以形象的表示出单边磁拉力的产生的原因，从仿真考虑了电机相问互感和线圈电阻的影响，验证 万方数据 2 6 8中国矿业大学学报 第3 7 卷 了前面理论分析的正确性．． a 线圈全串联 b 线圈全并联 图5 转子受到的磁拉力 F i g ．5 W a v e f o r mo fm a g n e t i cf o r c ei ns i m u l a t i o n 冬 R 鸳l 警 割 暑 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 O 7 59 5J 1 5 】3 51 5 51 7 5 1 9 5 角度， 。 图6 单边磁拉力仿真波形 F i g ．6 W a v e f o r mo fu n b a l a n c e dm a g n e t i cf o r c e i ns i m u l a t i o n 3 实验验证 为了观察线圈连接方式对1 2 ／8 结构S R M 振 动的影响，针对全串联和全并联的2 种连接方式， 制作了两台实验样机，构建了振动实验分析平台， 进行了样机系统的模态实验和振动实验，其实验平 台如图7 所示． 厂i H P 加速度 l l 堡壁鲨 感应H 转矩H 电机H 转速仪H F i g ． 2 如 著 馨 饲 窖 镣 暴3 主 b 吾 骧 谢 譬 * 繁 图7S R M 振动测试台 二◆ 3 ．1 模态实验 本文使用的模态实验系统主要由动态信号分 析仪H P 3 5 6 7 0 A 、力锤 带力传感器 、加速度传感 器组成．利用力锤给测试样机 电机静止 一个激振 力，力锤中内置力传感器采集到的激励信号和加速 度传感器采集到的振动响应信号传递给动态信号 分析仪H P 3 5 6 7 0 A ，后者通过相应的数据处理就可 获得被测样机的模态参数。 实测样机频率响应幅值曲线如图8 所示，图中 横坐标为频率，纵坐标为频率响应的幅值，即为振 动加速度和激振力的比值．可以看出，被测样机在 1 ．3 3k H z 附近振动响应最显著，因此，该频率即为 样机的实测一阶固有频率． ， 幺 璺 魍 馨 翻 譬 褂 鬓 图8S R M 频率响应曲线 F i g ．8F r e q u e n c yr e s p o n s ec u r v eo fS R M 3 ．2 振动实验 在模态实验的基础上，针对2 种线圈连接方 式，对S R M 样机进行振动实验．为了方便对比，让 被测S R M 样机工作在发电状态，感应电机做原动 机以30 0 0r p m 的转速带动S R M 转动，保证控制 参数和输出功率相同．在S R M 发电运行时，通过 固定于电机机壳上的加速度传感器，将采集到的电 机振动响应信号送入动态信号分析仪H P 3 5 6 7 0 A 进行数据处理，即可得到该状态下样机的振动功率 谱．振动功率谱的横坐标代表频率，纵坐标代表振 动功率的相对强度，即代表电机振动的剧烈程度． 实验得到的电机振动功率谱如图9 所示． ≥0 ．0 0 0 9 7 7 ．‘ 遥 馨 翻 餐 番 骚3 ．1 2 4 9 1 0 0 ．0 2 亳0 ．0 0 1 3 4 7 6 埋 孽 氇 霉 ．睁 鬈7 ．8 5 8 6 X1 0 。 频率／k l - l z b 发电功率为1 0 0W ，线圈全并 频率／I d 4 z 频率／k H z c 发电功率为1 5 0W ，线圈全串 d 发电功率为1 5 0W ，线罔全并 图9S R M 定子振动功率谱图 F i g ．9 V i b r a t i o nr e s p o n s ep o w e rs p e c t r u md i a g r a mf o rs t a t o ro fS R M 万方数据 第2 期刘闯等线圈连接方式对开关磁阻电机振动噪声的影响 2 6 9 其中图9 a ，b 为样机发电功率为1 0 0W 时电 机的振动功率谱，图9 c ，d 为发电功率为1 5 0W 时 电机的振动功率谱．从振动功率谱中可以看出， S R M 样机在整个频域内，以1 ．3 1k H z 附近的振动 最为突出，而模态实验中实测的一阶固有频率约为 1 ．3 3k H z ，两者基本吻合．而该S R M 样机以额定 32 0 0r p m 运行时，其电磁力的激振频率为1 ．2 8 k H z ，这和样机的一阶固有频率非常接近，这样该 样机的振动和噪声将显著增大，这也说明了该样机 在结构设计还需进一步优化，使其一阶固有频率远 离电磁力的激振频率． 由2 种线圈连接方式下的振动功率谱对比可 知，在不同的发电功率下，线圈全并联时S R M 的 振动强度远小于线圈全串联时．实验结果说明线圈 全并联有利于减小单边磁拉力引起的电机振动，减 小噪声．这一结论这也验证了前述理论和仿真分析 得正确性． 5 结论 本文通过理论分析、瞬态有限元仿真和振动实 验，分析了一相绕组线圈连接方式对S R M 转子偏 心时产生的单边磁拉力的影响，结果表明线圈并 联时产生的单边磁拉力要远小于线圈串联时，采用 全并联的线圈连接方式，将有利于减小S R M 运行 时的振动和噪声．同时，本文采用瞬态有限元分析 方法对定、转子铁心受到的径向磁拉力和单边磁拉 力的研究，也为进一步分析单边磁拉力对高速／超 高速S R M 转子动力学性能的影响打下了基础． 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 刘迪吉，张焕春。傅丰礼，等．开关磁阻调速电动机 [ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 9 4 ． M l L L E RT JE ．F a u h sa n du n b a l a n c ef o r c e si nt h e s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e [ J ] ．I E E ET r a n s a c t i o n s o nI n d u s t r i a lA p p l i c a t i o n ，1 9 9 5 ，3 1 2 3 1 9 - 3 2 8 ． C A M E R O NE ，L A N GH ，U M A N SD ．T h eo r i g i n a n dr e d u c t i o no fa c o u s t i cn o i s ei nd o u b l ys a l i e n tv a r i - a b l er e l u c t a n c em o t o r s [ J ] ．I E E ET r a n s a c t i o n so n I n d u s t r i a lA p p l i c a t i o n ，1 9 9 2 ，2 8 6 1 2 5 0 - 1 2 5 5 ． 吴建华．基于物理模型开关磁阻电机定子模态和固 有频率的研究[ J ] ．中国电机工程学报，2 0 0 4 ，2 4 8 1 0 9 1 1 4 ． W UJ i a n - h u a ．S t u d yo nt h es t a t o rm o d es h a p e sa n d n a t u r a l f r e q u e n c i e s o fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r b a s e do nr e a ls t r u c t u r a lm o d e l [ J ] ．P r o c e e d i n g so f t h eC S E E ，2 0 0 4 ，2 4 8 1 0 9 - 1 1 4 ． [ 5 ] 孙剑波，詹琼华，黄进．开关磁阻电机的定子振动 模态分析[ J ] ．中国电机工程学报，2 0 0 5 ，2 5 2 2 1 4 8 1 5 2 ． S U NJ i a n - b o 。Z H A NQ i o n g - h u a ，H U A N GJ i n ．M o d a la n a l y s i so fs t a t o rv i b r a t i o nf o rs w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r s [ J ] ．P r o c e e d i n g so ft h eC S E E ，2 0 0 5 ，2 5 2 2 1 4 8 15 2 ． [ 6 ] 王宏华，陈永校，徐大中，等．开关磁阻调速电机定 子振动抑制[ J ] ．电工技术学报，1 9 9 8 ，1 3 3 9 - 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b o 。Z H A NQ i o n g h u a ．An o v e lr a d i a t i n g r i bs t r u c t u r eo fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rf o rl O Wa c o u s t i cn o i s e [ J ] ．T r a n s a c t i o n so fC h i n aE l e c t r ot e c h n i c a lS o c i e t y ，2 0 0 5 ，2 0 9 3 4 - 3 8 ． [ 1 0 ]c H l N D U R Z AI ，D O R R E I ，I 。DG ，C O S S A RC ．V i - b r a t i o na n a l y s i so fas w i t c h e d - r e l u c t a n c em a c h i n e w i t he c c e n t r i cr o t o r [ C ] ／／S e c o n dI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c eo fP o w e rE l e c t r o n i c s ，M a c h i n e sa n d D r i v e s ．G l a s g o w P E M D 。2 0 0 4 4 8 1 4 8 6 ． [ 1 1 ] F U E N G W A R O D S A K U LNH ，S C H R O E D E RG B 。e ta 1 ．S i m p l i f i e du n b a l a n c e df o r o ec a l c u l a t i o ni n s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e su s i n ge l e c t r o m a g n e t i c c i r c u i tm o d e l [ C ] ／／E l e c t r i cM a c h i n e sa n dD r i v e s 2 0 0 5 ．U S A I E E EI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c e ，2 0 0 5 4 9 8 5 0 3 ． [ 1 2 ] 高明真．基于开关磁阻电机本体的噪声控制研究 [ J ] ．中小型电机，1 9 9 9 ，2 6 4 2 4 2 7 ． G A OM i n g - z h e n ．R e s e a r c hf o rv i b r a t i o na n da c o u s t i cn o i s ec o n t r o lo fs w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e [ J ] ． S ＆ME l e c t r i c a IM a c h i n e s ，1 9 9 9 ，2 6 4 2 4 2 7 ． 责任编辑姚志昌 万方数据