考虑磁致伸缩效应的电机电磁振动噪声的研究

电机工作在高磁场（1.5T以上）或激励源具有高次谐波时，硅钢片磁致伸缩效应会引起更大的电磁噪声，磁致伸缩力对电机电磁噪声的贡献高达50%；而现有的商业软件计算分析电机磁场时均无法考虑硅钢片的磁致伸缩效应，本课题主要研究硅钢片磁致伸缩效应引起的电磁振动噪声问题。主要研究内容包括：1、研究非取向硅钢片模拟交流电机实际工作情况下的磁化特性和磁致伸缩特性；2、建立同时考虑旋转磁场、硅钢片的磁致伸缩效应、叠压力和各向异性影响下电机电磁场-力分析的耦合数值模型，针对模型特点研究其算法；3、通过电机的结构动态模型，分析理想工频正弦波电源激励和变频电源供电时电磁力和磁致伸缩力对电机振动噪声的贡献；4、实验验证模型及算法的正确性。本课题涉及电磁场理论、电机学、材料力学、物理声学等多学科领域，为我国开发高性能、低噪声的电机提供理论基础和技术支撑，一定程度上推进电机行业的进步。

本项目测量了不同型号硅钢片的磁化特性和磁致伸缩特性，测量结果显示无论取向硅钢片还是无取向硅钢片的磁化和磁致伸缩均表现出各向异性；考虑电工硅钢片磁致伸缩效应及其各向异性建立了考虑磁致伸缩效应的电机、变压器铁心磁-机械耦合数值模型，并研究其算法实现，分别计算了是否考虑磁致伸缩效应时旋转电机的电磁场和振动位移。计算结果表明磁致伸缩效应对电机的振动影响比较明显，考虑磁致伸缩效应时定子的变形量明显大于只有电磁力作用下定子的变形，特别是定子外围的变形更加显著；又分别计算了永磁同步变频电动机在不同工作频率下电磁力单独作用以及与磁致伸缩力共同作用时的振动速度、应变能密度以及振动加速度的相关信息，从结果可以明显看出铁心磁致伸缩效应对铁心振动速度、应变能密度、振动加速度的分布具有较大的影响。另外，研究发现应力分布中含有额外脉动的现象，这些脉动将增加额外的电磁振动噪声；研究了电机、变压器噪声场有限元分析；进行了考虑磁致伸缩效应电机、变压器铁心振动的二维数值计算，得到应力-磁场-振动-噪声的关系，确定铁心磁密和振动噪声控制的最佳工作点；进行了考虑磁致伸缩电力变压器三维磁-机械强耦合模型研究；进行了相关实验验证研究，对永磁同步变频电机样机的振动测量采用瑞士Kistler公司的加速度传感器进行振动信号的拾取和德国HEAD acoustic公司的SQLabⅡ振动、噪声测试系统进行数据采集，并应用该公司的振动、噪声Artemis分析软件进行数据处理与分析，对样机机身、端盖和底座不同部位的振动进行了测量。对于电机整机样品而言，由于外壳等因素无法实现对铁心直接测量，采用对电机定子进行相关测试，对定子上各测量点动态测量结果进行了分析。比较测量和仿真分析结果表明：测量值与考虑磁致伸缩效应铁心分析结果的误差远小于只有电磁力单独作用时的分析结果；进行了降低变压器铁心噪声新方法的研究，利用柔性高磁导率纳米软磁复合材料填充铁心接缝，以疏导形式减低振动并研究其降噪效果，并通过测量振动位移和噪声，验证算法正确性，为实现电机降噪提供了新的途径；进行了铁心振动模态分析，为避免各部件共振提供依据。