基于负磁致伸缩效应的电机振动噪声抑制方法研究

Noise suppression is one of the key issues to be solved in the design and application of the motor. Especially in larger motors, noise and vibration caused by the magnetostrictive effect of silicon steel accounts for a large proportion of the motor noise. This project focuses on how to solve the problem of motor noise and vibration suppression caused by the magnetostrictive effect of silicon steel, proposes a method that filling a soft magnetic composite materials that have negative magnetostrictive properties to suppress motor noise and vibration based on the filling material magnetic permeability and the resistivity of silicon is consistent with the silicon steel. The negative magnetostrictive deformation offset the positive magnetostrictive deformation so as to achieve the purpose of noise reduction. Create electromagnetic motor-mechanical coupling numerical model to calculate a negative magnetostriction filler. Calculate the size and position of a reasonable distribution of the motor structure. This method is verified by experimental device. The outcomes will provide theoretical support for low-noise motor design and has important academic significance and application prospects.

噪声抑制是电机设计和应用中亟待解决的关键问题之一，尤其在体积较大的电机中，定子硅钢片磁致伸缩效应造成的振动噪声占比很大。针对由于硅钢片磁致伸缩效应导致的电机振动噪声问题，本项目提出通过填充具有负磁致伸缩特性的软磁复合材料来抑制电机振动噪声的方法：即在保障填充材料的磁导率和电阻率与硅钢片基本一致的前提下，使拟填充材料的负磁致伸缩与硅钢片的正磁致伸缩效应引起的形变基本相互抵消，从而达到降噪目的；建立电机电磁-机械耦合数值模型，计算出拟填充材料应具有的负磁致伸缩特性、尺寸和在电机结构中的合理分布位置；通过制作模型进行实验验证。本项成果将为低噪声电机设计提供理论支撑，具有重要的学术意义和应用前景。

本项目针对如何解决由于硅钢片磁致伸缩效应导致的电机振动噪声的抑制问题，提出通过填充具有负磁致伸缩特性的软磁复合材料来抑制电机振动噪声的方法。建立电机电磁-机械耦合数值模型，计算拟填充材料的特性、尺寸和在电机结构中的合理分布位置，保障硅钢片原有的磁路设计和整体结构基本不变；利用沿磁场方向填充材料的负磁致伸缩与硅钢片的正磁致伸缩效应引起的形变基本相互抵消达到降噪目的；通过制作模型进行实验验证。为我国开发高性能、低噪声的电机设计提供强有力的参考依据。.本项目的研究内容包括：.1、建立电机电磁-机械耦合数值模型.研究旋转磁场中磁致伸缩与负磁致伸缩材料的本构关系，建立考虑非取向硅钢片的三维磁特性参数、叠压力和各向异性影响下电机的电磁-机械耦合数值模型；进行模态分析，计算磁密和磁致伸缩力，得到由于磁致伸缩效应产生的应力、磁通分布和振动位移。.2、计算拟填充材料的特性、尺寸和分布位置，分析正负磁致伸缩对消机制.在数值模型的基础上，从应力集中和磁通分布畸变严重的区域进行反向推演，在特定区域填充软磁复合材料，计算出拟填充材料应具有的负磁致伸缩特性、尺寸和在电机结构中的合理分布位置；研究沿磁场方向拟填充材料的负磁致伸缩与硅钢片的正磁致伸缩效应引起的形变相互抵消的规律。.3、电机振动噪声抑制模拟装置设计及实验方法.建立模拟电机装置，加装加速度传感器阵列，对电机定子硅钢片分布式应力特性和频率响应进行测量和分析，通过实际数据修正所建立的数学仿真模型；填充软磁复合材料后进行数据测量和分析，通过实验验证，提出振动噪声测量和振动抑制效能评估的方法。.目前取得的重要结果有: .通过仿真和实验发现和证明了电机中的旋转磁场对硅钢片磁致伸缩力的影响规律：.1、在旋转磁场中磁致伸缩效应导致定子铁心产生形变，而且在电机结构中磁路畸变的地方磁通密度比较集中，定子齿根部和顶端应力较大。.2、通过仿真和实验发现由于磁路旋转和畸变造成变压器和电机中的供电频率一倍频低频力波，旋转电机中尤为明显。.建立了11kw永磁电机的加载和振动测试平台，用于进一步实验研究，难点是多点振动的测量，拖动电机对被测电机振动的影响较大，所以由振动测试改为应力应变的测试。通过数值计算拟填充材料性质的确定并进行制备，尝试制造了多种包含铁、镍，锌等复合材料，填充到打孔的电机定子硅钢片中，抵消磁致伸缩效应造成的振动噪声，起到节能降噪的作用。