基于统计能量分析的开关磁阻电机中高频振动预测方法

作者:沈磊;吴建华 刊名:中国电机工程学报 上传者:艾永明

【摘要】利用有限元法和边界元法对开关磁阻电机的振动进行分析预测时,往往只能在低频(f<2kHz)下得到满意的结果,而中高频振动是分析电机振动不可忽视的一部分。该文使用统计能量分析法对开关磁阻电机的中高频振动进行预测:建立了开关磁阻电机的统计能量分析模型,利用实验的方法测量内部损耗因子及耦合损耗因子,推导开关磁阻电机振动输入功率的计算方法,分析并预测电机的中高频振动。最后将预测数据和实验数据进行比较,验证了统计能量分析法对开关磁阻电机中高频振动预测的可行性和有效性。

全文阅读

0引言开关磁阻电机具有结构简单、成本低、运行可靠等优点,然而噪声振动问题限制了它的应用场合。在电机设计时,振动预测是设计低噪声振动电机的关键。目前,大量文献[1-7]在电机的模态分析、径向力计算和振动抑制方面进行了研究,而对开关磁阻电机振动预测的研究较少。传统的电机振动噪声预测方法主要是有限元法和边界元法:利用有限元法求得电机的径向力和电机的振动特性数据,然后使用边界元法获得在径向力激励下的电机噪声响应,这在一些电机的振动分析中取得了良好的效果,但有其固有的局限性。首先,电机中许多复杂结构的材料属性无法准确获得,如绕组、铁心等,给振动分析带来了误差;其次,这些方法只适合进行低频的噪声振动分析,这主要是由于高频时模态密度较大,分析复杂性增加。对同一个电机模型,分析的频率范围增加1倍,所需的单元数量将增加8倍,需要的内存和计算时间的增加使有限元法和边界元法在求解高频噪声振动问题上难以实施,但对于开关磁阻电机,中高频振动的影响是不可忽视的。统计能量分析法(statisticalenergyanalysis,SEA)利用统计模态的概念,把振动能量作为基本参数,用能量流平衡方程描述耦合子系统间的相互作用关系。采用统计概念时,研究对象是从随机参数描述的总体中抽取出来的,允许有较粗略的系统模型参数,因此,是一种适合预测电机中高频振动的方法。虽然SEA被已经成功应用于车辆[8]、舰船[9]和内燃机[10]等的噪声振动预测,但在电机噪声振动预测的应用仍处于起步阶段,并且主要集中在感应电机上。Delaere[11]用实验的方法确定了一台5.2kW感应电机定子铁心和绕组的内部损耗因子及定子铁心与机壳间的耦合损耗因子。C.Wang[12-13]用SEA法计算了感应电机在变频器驱动运行时径向力对定子的输入能量,并对变频器对感应电机噪声振动的影响作了分析。目前,国内外没有开关磁阻电机高频振动预测的相关研究。与感应电机相比,由于结构形式和运行方式不同,开关磁阻电机表现出更为严重的振动问题,同时也给分析带来了困难。本文利用SEA建立了开关磁阻电机的统计能量分析模型,通过实验测量了电机各部分的内部损耗因子及各部分间的耦合损耗因子,对中高频振动进行了预测,并通过实验验证了预测的准确性,同时,对开关磁阻电机高频振动的特点也进行了分析。1开关磁阻电机的统计能量分析模型典型电机包括定子、转子、机壳、端盖和底座。本文研究的对象是由电机径向力对定子和机壳引起的振动,涉及的结构为定子、机壳和底座。根据SEA的定义,子系统为具有相似模态的结构群。本文研究的电机是一台1.1kW8/6极开关磁阻电机,其定子与机壳之间采用过盈配合,将机壳分成具有不同振动模态的2部分:与定子相连的机壳,不与定子连接的机壳[14]。与定子相连的机壳与定子紧密相连,有相同的振动特征,因此将定子轭及与定子相连的机壳作为一个子系统。感应电机的定子齿在圆周上均匀分布,以往对感应电机的研究[11-12]把定子作为一个子系统考虑,而开关磁阻电机的定子极相互之间距离较远,其影响不可忽视,所以将定子极作为一个独立子系统。综上,本文将开关磁阻电机分为与定子相连的机壳和定子轭(子系统1)、不与定子相连的机壳(子系统2)、定子极及绕组(子系统3)和安装座(子系统4)4个子系统,如图1所示。图2为开关磁阻电机统计能量分析的理论模型,每一个方框代表一个子系统。Pi为输入子系统的平均能量,Ei为每个子系统在时间和空间上的平均振动能量,i为各个子系统的内部损耗因子,Pij为从子系统i传递到j的平均能量。根据能量守恒定理,有4d,1ii(ijji)ij

参考文献

引证文献

问答

我要提问