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开关磁阻电机振动和噪声抑制

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开关磁阻电机振动和噪声抑制

发布日期:2016-02-04 00:00 来源:http://www.umaqsh.com 点击:

  近年来,开关磁阻电机(SR)凭借其优异的性能在国民经济各领域得到了广泛的应用。然而开关磁阻电机振动和噪声也成了制约其发展和应用的一个突出问题。本文主要从电机结构尺寸及参数方面阐述减振和降噪的方法。

  开关磁阻电机结构简单可靠、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

  初期的开关磁阻电机研究很少考虑振动和噪声这一因素。但是,近年来,随着开关磁阻电机的广泛应用,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。而对于开关磁阻电机而言,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。

  开关磁阻电机为双凸极结构,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,开关磁阻电机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

  对于开关磁阻电机定转子极数的选择,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。

  以下是分析上述两种极数结构SR电机对噪声和振动的影响来探讨如何选择极数更加有利于减振和降噪。如前所述,低次数的径向力波是导致电机电磁噪声的最主要根源。而低次数径向力波主要作用在定子铁心以及机座上,使定子铁心随时间变化而发生周期性的形变,导致周围空气的脉动进而引起气载噪声,径向力波的阶次数越低,铁心的弯曲形变的相邻两支点间的距离越远,铁心的刚度相对比较差,径向形变就越大。定子铁心的形变量大致与力的波次数n的4次方成反比,而与力波的幅值成正比。因而,对于相数一定的SR电机,定转子极数越多,噪声振动越小。但是,由于电感的存在,极数过多反而会影响电机告诉运转时候的出力。

  2。2 定子尺寸优化

  一般来说,影响SR电机的转矩脉动和噪声的主要参数有定子外径、轭厚、定子齿极和定子极弧。定子外径一般选择较大的基座号,当然,也要增大外径的同时往往也会增加成本和适用空间,具体以实际应用需求为主。

  相对于定子极弧等参数来说,定子轭厚对电磁噪声的影响更加明显。也就是说,定子轭的厚度比其他参数对噪声的影响更大。试验表明:定子电磁振动振幅与轭厚的三次方成反比,与定子外径成反比。因此,增加定子轭厚能达到显着的降噪效果。在设计时,在成本可控的前提下,增加定子轭厚,采用长轴大外径的SR电机能防止电磁力频率和定子固有频率共振,最大程度的抑制电磁噪声。

  2.3 转子尺寸优化

  转子外径对转矩脉动和噪声的影响与定子恰恰相反,增加转子外径会增加转矩脉动和电磁振动。因此,转子外径的选择一定要适当。

  另外,定子和转子重叠时会产生径向的磁拉力,所以,转子尺寸和结构的优化首要目标就是在不影响输出转矩的情况下尽量的减少这种重叠区域面积。例如,一种方法是采用转子斜极,即将转子极做成楔形,从而减少与定子极之间的重叠面积,达到降噪目的。然而,这一方案不得不考虑电磁转矩和转子的机械强度问题。需要慎重选择。

  再者,有一种方案是在开关磁阻电机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开关磁阻电机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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