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開關磁阻電機振動和噪聲抑制方法

開關磁阻電機振動和噪聲抑制方法

發布日期:2016-03-14 00:00 來源: 點擊:

  近年來,開關磁阻電機(SR)憑借其優異的性能在國民經濟各領域得到了廣泛的應用。然而開關磁阻電機振動和噪聲也成了制約其發展和應用的一個突出問題。本文主要從電機結構尺寸及參數方面闡述減振和降噪的方法。

  開關磁阻電機结构简单可靠、容错能力强、控制灵活、启停方便,因而在航天航空、汽车船舶制造、精密加工、分布式发电系统等等多个场合有着广阔的应用前景。然而,SRM电机的较大的振动和噪声等缺点也成了阻碍其进一步发展的问题。因此,SRM电机振动和噪声抑制成了一个新型特种电机领域一个重要的课题。围绕这一课题,国内科研机构对这一问题作了大量研究,针对转矩脉动和径向电磁力引起的振动提出了各种减振降噪方案。尤其是基于电机本体结构优化的减振降噪取得了显着的效果。

  1 SR电机振动和噪声产生的原因

  初期的開關磁阻電機研究很少考虑振动和噪声这一因素。但是,近年来,随着開關磁阻電機的广泛应用,对电机的性能提出了更高的要求。

  在电气工程领域,振动和噪声十分普遍。噪声来源于电磁噪声和机械噪声。而对于開關磁阻電機而言,电磁噪声更加凸出。学者们的大量研究表明,电磁振动导致的电磁噪声是SR电机噪声的主要来源,而作用于SR电机定子上的脉动径向力及SR电机显着的转矩脉动是导致电磁振动的主要因素。

  開關磁阻電機为双凸极结构,定子轭部较薄,高速运转时定子绕组中通入的是脉冲电流,产生脉冲转矩,依靠磁拉力吸引转子转动,在产生切向磁拉力的同时会产生径向磁拉力。切向磁拉力产生的电磁转矩存在一定的波动,从而导致振动和噪声的产生。而径向磁拉力随转子位置的变化和电流的变化而波动,导致定子铁心变形和振动,进而产生噪声。另外,大量研究表明SR定转子间的径向磁拉力所导致的定子椭圆形变是产生振动和噪声的主要原因,并且远远高于转矩脉动产生的振动和噪声。因此,開關磁阻電機的减振和降噪研究的主要问题是降低径向拉力的影响。

  2 基于振动噪声抑制的结构优化设计

  2.1 定转子极数的选择

  对于開關磁阻電機定转子极数的选择,学者们作了大量研究。一般来说,定子极数N,必须要是相数q的2倍或者2的整数倍。也就是Ns=2mq,而转子的极数Nr=2m(q-1)。以三相电机为例,最常用的便是Ns/Nr=6/4/或12/8极结构。

  以下是分析上述兩種極數結構SR電機對噪聲和振動的影響來探討如何選擇極數更加有利于減振和降噪。如前所述,低次數的徑向力波是導致電機電磁噪聲的最主要根源。而低次數徑向力波主要作用在定子鐵心以及機座上,使定子鐵心隨時間變化而發生周期性的形變,導致周圍空氣的脈動進而引起氣載噪聲,徑向力波的階次數越低,鐵心的彎曲形變的相鄰兩支點間的距離越遠,鐵心的剛度相對比較差,徑向形變就越大。定子鐵心的形變量大致與力的波次數n的4次方成反比,而與力波的幅值成正比。因而,對于相數一定的SR電機,定轉子極數越多,噪聲振動越小。但是,由于電感的存在,極數過多反而會影響電機告訴運轉時候的出力。

  2.2 定子尺寸优化

  一般來說,影響SR電機的轉矩脈動和噪聲的主要參數有定子外徑、轭厚、定子齒極和定子極弧。定子外徑一般選擇較大的基座號,當然,也要增大外徑的同時往往也會增加成本和適用空間,具體以實際應用需求爲主。

  相對于定子極弧等參數來說,定子轭厚對電磁噪聲的影響更加明顯。也就是說,定子轭的厚度比其他參數對噪聲的影響更大。試驗表明:定子電磁振動振幅與轭厚的三次方成反比,與定子外徑成反比。因此,增加定子轭厚能達到顯著的降噪效果。在設計時,在成本可控的前提下,增加定子轭厚,采用長軸大外徑的SR電機能防止電磁力頻率和定子固有頻率共振,最大程度的抑制電磁噪聲。

  2.3 转子尺寸优化

  轉子外徑對轉矩脈動和噪聲的影響與定子恰恰相反,增加轉子外徑會增加轉矩脈動和電磁振動。因此,轉子外徑的選擇一定要適當。

  另外,定子和轉子重疊時會産生徑向的磁拉力,所以,轉子尺寸和結構的優化首要目標就是在不影響輸出轉矩的情況下盡量的減少這種重疊區域面積。例如,一種方法是采用轉子斜極,即將轉子極做成楔形,從而減少與定子極之間的重疊面積,達到降噪目的。然而,這一方案不得不考慮電磁轉矩和轉子的機械強度問題。需要慎重選擇。

  再者,有一种方案是在開關磁阻電機的转子之间填充绝缘的非导磁胶体,这种方法能减少转子磁漏,使得转子受到的空气阻力减小,且能有效的减少转矩脉动。这种方法经济实用,有一定的应用价值。但是,这一方案对所需填充的绝缘非导磁材料的要求较高,包括其绝缘能力、抗高温抗氧化能力等。

  3 结束语

  SR開關磁阻電機振动和噪声产生的机理十分复杂,影响电磁噪声的因素也很多,这里我们只介绍了基于电机本体结构优化设计的降噪方案。事实上,还可以从控制策略方面入手改善SR电机的性能,达到降噪目的。新型复合材料的广泛应用也为SR电机降低噪声提高性能提供了支撑。这一课题有待深入研究。


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