不同极槽配合永磁同步电动机振动噪声分析 宋志环 韩雪岩 陈丽香 唐任远 中圈分类号:TM351 TM341 文献标识码 :A 文章编号:1001-6848(2007)12-0011-04 不同极槽配合永磁同步电动机振动噪声分析 宋志环，韩雪岩，陈丽香，唐任远 (沈阳工业大学 特种电机研究所，沈阳 110023) 摘 要:永磁同步电动机的极槽配合不同，其对电机振动噪声的影响也各不相同，尤其是分数 槽绕组的采用使永磁同步电动机的谐波磁场变得更加复杂。利用 Ansoft软件计算电机的主极磁 场，再通过谐波分析得出各次谐波的幅值，最后利用分析结果计算电机的电磁噪声。计算结果 与实验值吻合较好;并总结出不同极槽配合对电机电磁噪声的影响。 关键词:永磁同步电动机;噪声;振动;极槽配合;实验 Different Slot/Pole Combination Vibro-acoustics of Permanent Magnet Synchronous Motor SONG Zhi-huan, HAN Xue-yam，CHEN Li-xiang, TANG Ren-yuan (Shenyang University of Technology, Shenyang 110023，China) ABSTRACT; In recent years, the vibro-acoustics research of permanent magnet synchronous motor is more and more important. The slot/pole combination is different, the effect of vibro-acoustics for motor is different. Especially for fractional slot permanent magnet synchronous motor which makes the harmonic wave more complex. Ansoft was used to calculate the magnetic field，then make out the harmonic wave场 harmonic analysis, at last calculate the vibro-acoustics场 the analysis result. the calculated values agree well with the measured ones. On the basis of the calculations of many permanent magnet synchronous mo- tors, the effect of the different slot/州e combination for permanent magnet synchronous motor was given. KEY WORDS:PMSM; Acoustics; Vibration; Slot/pole combination; Experiment 0 引 言 噪声水平已被列为衡量电机质量的一项重要 指标。对于电动机噪声与振动的研究起源于上世 纪40年代，主要是针对感应电动机、同步电动机 和直流电动机，而永磁同步电动机是新兴的一种 高效特种电机，对其噪声与振动特性进行全面和 ’ 深人的研究却相当少。永磁电动机产生的噪声主 要包括:电磁噪声、空气动力噪声和机械噪声， 而电磁 噪声是永磁 电动机噪声来 源 的主要方 面[1-21。本文主要对电磁噪声产生的根源以及不同 极槽配合时对电机噪声的影响作具体分析。电机 运行时气隙中存在基波磁场和一系列谐波磁场。 这些磁场相互作用，不仅会产生作用在永磁电动 机铁心上的切向电磁力，还会产生随时间和空间 变化的径向电磁力。这种径向电磁力波作用在定 子铁心上使定子铁心产生径向变形，引起电机的 收稿 日期:2007-04-15 振动和噪声。一般而言，定子铁心的变形量与力 波次数的4次方成反比，与力波幅值成正比，所以 要降低永磁电动机的电磁噪声，就要提高电磁力 波的次数，避免出现 4次以下的电磁力波，而4次 以上的电磁力波，在近似计算时可以忽略不计。 1 定、转子谐波对振动噪声的影响 单位面积上的径向力瞬时值为:关(0, t)二犷 (0, t)/2j4。其中，b(6, t)为气隙中距坐标轴线圆 周角0某一点在时间t的气隙磁密瞬时值，N 为空 气磁导率。由上式可知径向力波的幅值与定、转子 气隙磁密的幅值成正比，所以在气隙磁场的谐波次 数都一定的情况下，降低磁场波形的正弦性畸变率， 即降低定、转子谐波磁场的幅值就可以减小径向力 波幅值，进而降低永磁同步电动机的振动和噪声[[2]。 在永磁同步电动机中，空载气隙磁场的波形 近似为一平顶波，与感应电动机的气隙磁密波形 相差较大。通过优化气隙磁密波形，即减小气隙 磁密正弦性畸变率，便可以在一定程度上降低电 万方数据 一 11 一 

微电机 2007年 第 40卷 第 12期 (总第 168期) 机的噪声振动。极弧因数是影响气隙磁密波形的 主要因素，所以通过优化极弧因数的大小就可以 在一定程度上降低永磁同步电动机的电磁噪声川。， 本文对 8极 36槽、8极48槽和8极 9槽三种 不同极槽配合的永磁同步电动机的气隙磁场进行 有限元分析。三台电机的额定功率均为 。.9 kW, 额定频率为 133 Hz。然后通过傅里叶分析求出它 们在不同的极弧因数下磁密波形的正弦性畸变率。 计算结果如图1所示。 铃 别 咨 裂 溉 日 荣 娜 0. 42 0. 37 a 32 0. 27 0.2弓撬.扁 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 极弧141数 图1 不同极槽配合时磁场的正弦性畸变率 从上图可以看出，极弧因数不同时气隙磁场 的谐波含量也各不相同，8极 9槽绕组结构波形的 正弦性畸变率最小，而 8极 48槽绕组结构的正弦 性畸变率最大。当极弧因数在0.76--0.8时，各磁 场正弦性畸变率较小。所以为了降低永磁同步电 动机的电磁噪声，应合理选择极弧因数的大小。 2 电磁噪声计算 由定子和转子高次谐波磁场相互作用产生的 力波次数小于4的一系列电磁力波是产生电磁噪声 的主要原因，尤其是齿谐波磁场的作用，使气隙 谐波磁场的幅值增大，产生较大的电磁噪声。 对于整数槽永磁同步电动机，由于每块永磁 体所对应的定子齿的位置全相同，所以主极磁场 中只含有奇数次谐波，电磁力波次数只能等于零 或电机极对数的整数倍〔31。而对于分数槽永磁同 步电动机，由于每极所对应的定子齿的位置可能 各不相同，对分数槽电机进行磁场分析时，必须 以一个单元电机为一个周期。因此分数槽电机的 谐波磁场中除了有整数次谐波磁场外，还有一系 列分数次谐波磁场。 本文中把波长等于电枢周长助 Z的2极波作为 基准波，所以平时所说的基波相当于这里的2p Z/2 z =p次谐波。对于分数槽电机，每极每相槽数为9 =b +c/d，其中c/d为不可约的分数。对于d为偶 数的分数槽绕组，d个极组成一个周期，所以主极 磁场中既有奇次又有偶次谐波磁场。而对于d为奇 数的分数槽绕组，2d个极组成一个周期，由于主极 磁场对于横轴对称，所以不含有偶次谐波。由此可 一 12 一 万方数据 见分数槽绕组的主极磁场的谐波分布比整数槽的密， 谐波次数的增加使电机中更易产生力波次数小于4 的径向力波，从而使电机的振动噪声加大。 由定、转子谐波次数通过公式r=N.ty，计算 出力波次数小于4次的径向力波，再由各次径向力 波计算出电机的振动噪声。在计算中要特别注意 齿谐波对电机电磁噪声的影响。对于表面式永磁 同步电动机，转子没有齿槽，所 以电机的齿谐波 中只有定子齿谐波。当定子齿谐波磁场与转子谐 波磁场相互作用产生力波次数小于4次的径向力波 时，定子谐波磁场的幅值应该是定子磁动势谐波 磁场幅值与定子磁导齿谐波磁场幅值的相量和。 磁导齿谐波磁场的存在使电机径向力波的幅值增 大，进而增加了永磁同步电动机的电磁噪声。 首先利用ANSOFI'软件分别求出每台电机空载 时的气隙磁场波形，然后对空载气隙磁场作傅里 叶分析，分别求出8极9槽、8极36槽和8极48 槽三台永磁同步电动机空载气隙磁场的各次谐波 幅值，其分析结果如图2、图3、图4所示。 07 0.6 05 0.4 03 02 01 目 理 泪 匆 ~ r’一刁 f 气 i } } 一 一朴，- 二月 卜一门 l [’’币 f-- } { }一 { 犷’一’.1 ree 一月 } } i } ! } 卜份 一 月 卜一“‘， 卜·… 叫 l . , I l } { } I! 1 ! }{ i 一} } 门 l } I i } i } 二工一]一’}一!_}厂，’一{尸 ~ ~ - 一{ 1 ! { {l11 }{「{! 1 ’犷一飞 「矿.!! { } 1 ! 1 ! }}一{} [ }- 一!一’ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 谐波次数 图2 8极9槽永磁同步电动机谐波磁场分析 0.7 06 05 以 03 舰 0.1 玛 骤 肖 盆 一 日 门门门厂} {一}门 { 「7「门「--「]犷]「罚门 一〕「一广一 } }}i厂]厂一 ”二] {!l ·}厂]} 1J_{万万]厂-门门 r一!一一门 i }!厂一 }__门l 诬 !.犷节门 !一月月月 I : .:r-t} 丁一 {.口「]厂 丁，门 1 一‘ ‘ : . ‘ . 0 10 20 30 40 50 印 70 80 90 100 古波次数 图3 8极36槽永磁同步电动机谐波磁场分析 坦 琅 侧 经 「{I} {} }} 一!l}!门 }}}「] ] 压-曰「-. 一]门厂 l ii {·薄}!「一 }{}!{ }厂- }{}{「勺口}二门「一!厂- 一!}}}_es口}’. !!! 工曰i，二工户 门 厂I 沮 ~ 」 谐波次数 图4 8极48槽水磁同步电动机谐波磁场分析 

不同极槽配合永磁同步电动机振动噪声分析 宋志环 韩雪岩 陈丽香 唐任远 通过傅里叶分析，得出空载气隙磁场中各次 动机中各径向力波的次数，取出其中次数小于4次 谐波的次数和幅值，其部分计算结果如表 1、表2 的各径向力波来计算电机的振动噪声。本文通过 和表3所示。再利用编制的软件计算永磁同步电动 分析计算得出了三台永磁同步电动机的力波次数 机的电磁噪声。在计算电磁噪声时，首先计算电 表。其具体计算结果如表4、表5和表6所示。 表 1 8极9槽永磁同步电动机空载气隙磁密幅值 谐波次数 谐波幅值(T) 0.66307 0.021456 0.0074899 0.0043387 0.0029051 0.0021056 谐波次数 谐波幅值(T) 谐波次数 谐波幅值(T) 12 13 巧 20 21 0.15881 0.064427 0.0251以 0.0081314 0.047076 0.020374 表 2 8极48槽永磁同步电动机空载气隙磁密幅值 0.5630 0.0143 0.0549 0.0344 0.00369 0.0725 谐波次数 52 68 76 84 92 谐波幅值(T) 0.0653 0.的 862 0.00860 0.00402 0.00357 0.0278 表3 8极36槽永磁同步电动机空载气隙磁密幅值 谐波次数 谐波幅值(T) 0.57592 0.0017813 0.014112 0.022961 0.028535 0.00078892 谐波次数 50 70 71 谐波幅值(T) 0.以)22031 0.0002122 0.0044998 0.以)1891 0.0014774 0.0016323 表4 8极9抽永磁同步电动机的主要力波次数表 表 6 8极 36摘永磁同步电动机的主要力波次数表 5 6 7 10 11 12 13 14 15 20 0 1 2 v 一5 7 2 1 0 4 3 0 一1一2一3一4 一4一1 0 1 2 3 4 3 2 1 0 一1一2 一4一3一2一1 0 1 v 8 一32 一40 一52 56 68 8 12 32 40 48 50 55 56 70 76 0 4 0 0 4 2 一3 一1 0 2 0 4 3' 2 1 一4 一76 4 一1 0 2 注:下划线处为定子齿谐波 表5 8极48槽永磁同步电动机的力波次数表 20 28 44 52 68 76 92 100 0 0 0 0 注:下划线处为定子齿谐波 从表中可以看出8极 48槽永磁同步电动机的 力波次数都为0次，这是因为在整数槽永磁同步电 动机中，径向力波的次数只能为0次或者2p次， 而当极对数大于2时，需要计算的力波次数只能为 0，因为大于4次的力波对振动噪声的影响在近似 计算中可以忽略不计。而 8极 9槽和8极 36槽永 磁同步电动机，由于是分数槽电机，其定、转子 谐波波谱比整数槽电机的波谱密。从表4中可知， 8极9槽电机中含有许多力波次数小于4次的径向 力波，增大了电机的振动噪声闭。 在永磁同步电动机中除了电磁噪声以外，轴 承噪声对电机的影响也是不容忽视的 。本文参考 轴承噪声计算公式阁，计算得出这三台电机的轴 承噪声均为50. 99dBo 0 0 0 0 10 一11 13 一14 16 19 一20 22 ro 一20 28 一44 52 一68 76 一92 100 注:下划线处为定子齿谐波 万方数据 

微电机 2007年 第40卷 第 12期 (总第 168期) 本文通过编制计算软件，采用场路相结合的 方法对8极48槽、8极9槽和 8极 36槽三台永磁 同步电动机的电磁噪声和轴承噪声进行计算分析， 并把计算结果与实测值相比较，其结果如表 7 所示。 表7 不同极摘配合电磁噪声的计算 极槽配合 计算噪 实测噪 相对误 声值(dB)声值(dB) 差(%) 8极9槽 71.44 70 8极 36槽 8极 48槽 55.76 59.6 54.14 50.7 2.01 6. 44 6.79 通过比较可知，计算结果与实验值基本吻合， 说明通过本计算方法可以得到令人满意的结果。 3 结 论 本文通过编制计算软件，计算分析了不同极 槽配合的多台永磁同步电动机的电磁噪声和轴承 噪声，并将计算结果与试验结果进行了对 比。结 果表明本文所采用的计算方法能够满足工程要求。 从计算结果可知，电机采用分数槽绕组后，其磁 (上接第 10页) [4〕 张涛，蒋静坪，张国宏.交流永磁同步电机伺服系统的线性 化控制1311.中国电机工程学报，2001, 21(6); 40-43. [5〕 王江，王静，费向阳.基于永磁同步电动机的非线性 PI控 场谐波波谱比整数槽的谐波波谱要密很多，这就 使电机内产生较多的力波次数小于4次的径向力 波，增大了电机的振动噪声。所以为了减小永磁 同步电动机的电磁噪声，应合理选择电机的极槽 配合，并且还要选择合适的极弧因数，以降低谐 波磁场中各次谐波的幅值。 参考文献 ， ， J 尸 . . L F ‘ L ， . . J l . . . J 尸 . . ‘ 4 飞 . J 1， . . L l. . . J 陈世坤，电机设计〔M].北京:机械工业出版社，2004. 唐任远.现代永磁电机理论与设计【M].北京:机械工业出 版社，1997. ，.r.舒波夫.电机的嗓声和振动〔M].北京:机械工业出 版社，1980. Zhu ZQ，Howe D. Improve Methods for Prediction of Electro- magnetic Noise Radiated场 Electrical Machines [ J ] . IEE Proc- Electr. PowerAppl, 1994:109-120. [61 黄国治，傅丰礼.Y2系列三相异步电动机技术手册【M].北 京:机械工业出版社，2005. 作者简介:宋志环(1982一)，男，博士，研究方向为永磁电 机及控制。 [10] Eberhart R C, Kennedy J. Anew Optimizer Using Particle Swarm Theory [ A ] . Proceeding of the Sixth International Symposium. Micro Machine and Human Science[ C1. New York, NY, USA; 制【Jl.中国电机工程学报，2005, 25(7); 125-130. IEEE, 1995:39-43. [6」 刘益剑，张剑明.徽粒群算法在自动控制系统设计中的应用 户 月 . L 衬. 且 ， 几 ， . . J 1311.高技术通讯，2005, 7(15):24-28. [7] Yang Ming, Coo Yang, Xu Diangtro, et al. On-line Self-toning‘ HController far PMSM Drives based on the Iterative Learning Control r . L 2 衬. 压 ， . . J [C1. Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2005. 姚新胜，黄洪钟，周仲荣.广义满意度原理及其特性分析 [J].西南文通大学学报，2003, 38(6):712-716. 吴晓朝，吴捷，李全国.一种基于满意度的 PID参数整定 方法【311.华南理工大学学报(自然科学版)，2005, 2(2): 39-42. APEC 2005, Twentieth Annual IEEE. [8] Hu Haibin, Hu Qingbo, Lu Zhengyu, et al. Optimal PID Con- troller Design in PMSM Servo System Via Oarticle Swarm Optimi- zation CIndustrial Electronics Society[ C]. 2005. IECON 2005 , 32nd Annual Conference of IEEE. [ 91 Kennedy J, Eberhart R, C. Particle Swarm Optimization [A]. Proceed吨 of 1995 IEEE International Conference on NeuralNet- works[ C]. New York, NY, USA: IEEE, 1995: 1942-1948. 作者简介:严 帅(1977一)，男，博士生，从事交流伺服系 统的研究。 贵献国(1973一)，男，副教授，从事伺服电机本体设计以及 驱动控制的研究。 杨 明(1978-)，男，博士生，从事交流伺服系统研究。 徐殿国(1960一)，男，博导，教授，从事电力电子与电力传 动和电机驱动控制。 一 14 一 万方数据