永磁有刷直流电动机电磁振动与噪声的分析

摘要

随着社会的发展和环境保护意识的提高，人们越来越关心工作和居住环境中的振动噪声污染问题。在工业设备和家用产品中，永磁有刷直流电动机因其结构简单，造价低廉和能量转化效率较高而被人们广泛应用。这些被广泛使用的永磁电机在提供动力的同时，也在环境中产生了大量的、引人关注的振动噪声污染。因此，研究永磁电机的振动和噪声问题对提高人体舒适度，减少环境污染有重要意义。更重要的是，高品质的低噪声电机可以提高电机生产企业的产品竞争力，从而增加企业利润。
　　对于常见的中、小型永磁有刷直流电机，其绝大部分振动噪声都属于电磁振动噪声。永磁电机的电磁振动与噪声是一个多物理场问题，涉及电机电磁场、电机结构模态特性、电机结构受迫振动和电机辐射声场。在这个多物理场中，电机电磁场与电机结构受迫振动是弱耦合关系，电机结构的受迫振动直接决定了电机辐射声场。
　　为全面深入研究上述多物理场，本文建立了描述永磁有刷直流电机的磁场和电磁力的解析模型，把描述电机电磁振动的解析模型从二维平面扩展到三维空间，并首次建立了可精确计算电机磁场、电磁力、电机结构模态参数、电机电磁振动和电机辐射声压级的数值模型。
　　基于二维电磁场理论，在极坐标中推导了电机的径向气隙磁通量密度的解析表达式。基于推导出的电机径向气隙磁场，使用麦克斯韦尔应力张量法计算了电机径向电磁力；对于切向电磁力，通过分析齿槽转矩，间接地建立了切向电磁力的解析模型。
　　为验证电机磁场和电磁力的解析模型，同时考虑磁场饱和、电流换向等非线性因素的影响，精确地建立了电机的二维磁场有限元模型。有限元模型在时域和频域准确计算电机气隙磁场和电机电磁力。除了推导理论模型和建立有限元模型，还测量了永磁电机的齿槽转矩，理论和有限元模型推导计算出的齿槽转矩与实际测量结果高度吻合。研究发现：电磁力的频率为电机转速和转子齿数乘积的整数倍，电机电磁力主要作用在永磁体内表面上。
　　永磁电机结构在时变电磁力激励下振动，因此电机结构本身也控制着电机电磁振动和噪声行为。基于壳体振动理论（两端简支薄壁壳），在Reissner方程基础上推导了电机定子结构的自由振动方程和受迫响应方程，这些方程可快速估算电机定子的固有频率、模态振型和瞬态电磁振动，也首次解释了电磁力波阶数与定子模态振型之间的关系。
　　为准确计算永磁有刷直流电机的结构模态参数和电磁振动，建立了高精度的电机全尺寸三维有限元结构模型，有限元模型计算出的电机模态振型和固有频率与测量出的模态参数完全吻合。通过把电磁力加载在结构有限元模型中的永磁体和转子节点上，用模态叠加法计算了永磁电机的瞬态电磁振动。对比电机加速度的仿真结果和测量结果后可知，电机电磁振动的计算精度足以满足实际工程需求。
　　为准确预测永磁有刷直流电机的电磁噪声，同时研究电磁振动对噪声分布的影响，建立了计算电机辐射噪声的三维边界元模型。在模型外表面加载速度边界条件和依照ISO标准定义场点面后，边界元声学模型准确计算了电机的辐射声压，模型的计算结果与半消声室的测量结果高度吻合。研究表明，当电机噪声频率低于电机固有频率时，控制电磁振动与噪声的因素是电机电磁力；当电机噪声频率分布在固有频率范围内时，控制电磁振动与噪声的因素是电机结构的共振。
　　在高精度的有限元模型和边界元模型的帮助下，深入研究了有偏心转子的永磁有刷电机的电磁力、电磁振动和电机噪声。研究表明：转子静偏心加剧了永磁电机的电磁振动和噪声，电机振动主要集中低于电机固有频率的频率范围内；与正常永磁电机相比，转子偏心易在电机固有频率范围内的增加辐射声压级。除了转子偏心，还发现环氧树脂胶的厚度可导致永磁有刷电机出现噪声分布不均匀的现象。
　　本文完整地建立了从电机电磁力、电机结构到辐射声场的解析模型和计算模型，该组模型结合电磁场、结构振动理论和有限元、边界元计算方法，可以解释永磁有刷电机的电磁振动和噪声的产生机理，分析电机设计参数与电磁振动与噪声的关系，能准确预测永磁有刷直流电机的电磁振动与噪声，帮助电机生产企业分析电机在使用中遇到的一些电磁振动和噪声问题。

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符号对照表

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 电机振动、噪声的分类和来源

1.3 本文的研究对象

1.4 永磁电机电磁振动与噪声研究现状和发展趋势

1.5 存在的问题

1.6 本文的研究内容

第二章 永磁有刷直流电机的磁场与电磁力

2.1电机气隙磁场的解析模型

2.2电机电磁力的解析模型

2.3电机气隙磁场与电磁力的有限元分析

2.4气隙磁场与电磁力的实验验证

2.5本章小结

第三章 永磁有刷直流电机的结构模态分析

3.1解析法分析定子的固有频率与振型

3.2三维有限元法精确预测电机模态参数

3.3实验法识别电机模态参数

3.4本章小结

第四章 永磁有刷直流电机的电磁振动

4.1解析法分析电机的电磁振动

4.2有限元法精确计算电机电磁振动

4.3测量永磁电机的电磁振动

4.3本章小结

第五章 永磁有刷直流电机的电磁噪声

5.1边界元法精确计算电机电磁噪声

5.2电机电磁噪声的分布

5.3本章小结

第六章 转子偏心与胶水对电机电磁振动和噪声的影响

6.1转子偏心对电机电磁振动和噪声的影响

6.2胶体对电机噪声分布的影响

6.3本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

附录A 电机M1模态参数的原始测量数据

附录B 振动算子的完整形式

附录C 电机电磁力的展开式

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文