永磁电机-电力电子装置系统电磁振动与减振技术研究

In this project the analysis of electromagnetic vibration and the vibration reduction technologies for PM machine and power electronics system are studied, in order to clear and prevent the misunderstanding of electromagnetic vibration analysis and achieve low vibration. For the analysis of vibration, on one side, the linear analysis model of radial electromagnetic force and vibration centered on armature tooth, is proposed to analyze and clarify the relation among magnetic field, force and vibration with different features. On the other side, the 3-D electromagnetic field and structure FEM models are adopted to consider the effects of special factors deeply and simultaneously. . According to the frequency, vibration is classified into pole-frequency, slot-frequency and switching-frequency, which are the clue and objects of this project. For the pole-frequency vibration, a new motor with axially-alternately-arranged PM poles is proposed and studied. For the slot-frequency vibration, the original reason of slot-frequency vibration is clarified and the influencing factors are figured out to help to reduce it. For switching-frequency vibration, a novel reducing technology by combining the filter reactance into the motor is proposed and analyzed. To verify the above research and technologies, a test bench and prototype motors are set up. Theoretical research and study of electromagnetic vibration and its reduction will replenish the existed theory and can be practically applied.

针对目前永磁电机-电力电子装置系统电磁振动分析存在的问题和减振技术存在的不足，开展该系统的电磁振动分析方法和减振技术的深入研究。振动分析方法研究方面，一、建立以电枢齿为核心的激振力与振动的线性分析模型，以电枢齿为枢纽梳理不同特征磁场、电磁激振力与振动之间的关系；二、以特殊因素的考虑和因素考虑的全面为目的，建立电磁场和结构的三维有限元细致分析模型。将振动按频率分为极频、槽频和开关频率振动，分别开展分析和减振技术研究，一、提出并研究具有轴向交替布置磁极的低极频振动电机；二、对槽频振动存在的误区，阐明永磁电机槽频振动的根源和影响因素，找到切实可行的减振手段；三、提出并研究新型滤波电抗与电机集成的有效降低开关频率振动的电机。建立试验平台，试制多台电机，进行充分的试验研究和验证。形成的永磁电机-电力电子装置系统电磁振动分析和减振理论能够完善现有理论，减振技术可推广实际应用。

针对目前永磁电机-电力电子装置系统电磁振动分析存在的问题和减振技术存在的不足，开展永磁电机-电力电子装置系统的电磁振动分析方法和减振技术的深入研究。.1）提出了一种以“齿”为枢纽的高精度快速电机电磁振动解析计算方法，从齿的磁场和力传输出发计算电磁振动，不仅考虑齿在电磁计算中的影响，还考虑齿在机械传递中的作用，实验结果表明电磁振动计算精度提高了20%以上。.2）针对整数槽永磁同步电机中突出的槽频振动，提出了齿对力传递过程的斩波效应，揭示了槽数阶电磁力是零阶槽频振动的主要激励源，纠正了以往认为零阶激振力是零阶振动源的错误。分析了槽数阶电磁力与零阶电磁力的大小和电机结构的关系。.3）针对永磁同步电机低频振动中突出的极频振动，分析阐述了极频电磁振动的根源是磁场极性变化产生的激振力波动。提出在极间加入轴向交替磁极的方法，实现了对表贴永磁电机的极频电磁振动的抑制。为进一步同时削弱极频和槽频振动，提出了双重斜极磁极结构。实验结果表明该结构能降低噪声达6dB以上。.4）将永磁直流电机的磁极看作齿，采用以“齿”为核心的建模方法，分析了永磁直流电机的主要振动源和特点，归纳了不同“齿槽”配合下脉振径向力和弯曲力矩的特点及其对振动的影响规律。在分析了常用的斜槽或斜极对降低电磁振动效果的局限性后，提出了一种有效降低电磁振动的轴向变极宽磁极结构。实验结果表明该结构能降低噪声达5dB以上。.5)针对特殊形状永磁体和轴向形状变化的永磁体以及考虑到铁心中磁路的非线性和气隙中轴向磁场变化等，建立了电机三维电磁有限元模型用于铁心表面精确的电磁场和电磁力计算以及三维结构有限元模型用于电机振动的计算。.6）针对因电力电子装置系统产生的电机高频载波频率的电磁振动，提出了一种内置滤波电感的电机结构，经过对该结构的优化设计和电容匹配设计，能有效降低电机的高频电磁振动。实验结果表明该结构能降低振动一半以上。.本项目的研究不仅对永磁电机的电磁振动特性进行了详细探究，而且为低振动噪声的设计提供理论基础和样机设计指导。