摘 要近年来开关磁阻电机Switched Reluctance Motor即SRM因其结构简单价格便宜以及控制简单的优点其应用越来越广但是SRM的磁阻运行原理使得其振动和噪声相比较于其他电机尤为严重主要原因是因为其径向电磁力作用在定子齿面造成电机振动进而产生电磁噪声。本文采用电磁、机械和声场三场耦合的三维有限元模型对SRM进行分析研究电机的电磁力特性、定子的固有频率与模态振型以及电磁力耦合作用下定子的振动响应。使用边界元法对声学模型SRM的噪声进行了预测。首先为了研究SRM在实际工作中的振动和噪声问题使用有限元分析法计算得到气隙磁通密度和径向电磁力并对其谐波进行分析计算出电磁力各谐波的幅值和频率。其次分析SRM的固有模态主要考虑定子铁心、绕组、电机整机简化模型定子、绕组、端盖、机壳、电机整机底座固定等对电机固有模态的影响作用得到电机的各阶模态值并对其模态值进行了对比分析。然后基于模态叠加法把分析得出的电磁力耦合加载到电机定子齿面上计算电机的电磁振动响应并对其振动特性进行研究分析。依据SRM的有限元模型、边界元模型以及振动边界条件借助LMS.Virtual.Lab软件的声学分析模块把电磁振动作为边界条件分析SRM的噪声运用声学边界元法计算得到电机噪声声压级曲线与声压级云图。最后以前几章对电机的振动响应及噪声的理论分析为依据对电机气隙、极弧以及结构进行了优化设计。关键词开关磁阻电机 径向电磁力 固有模态 振动响应 电磁噪声 声辐射目 录第一章绪论1.1课题研究的背景和意义1.2国内外研究现状1.2.1电机电磁力波的国内外研究现状1.2.2电机固有模态的研究现状1.2.3电机声辐射的研究现状1.3课题的研究内容第二章开关磁阻电机径向电磁力研究2.1开关磁阻电机结构模型2.2开关磁阻电机的气隙磁场计算2.3开关磁阻电机径向电磁力分析2.4本章小结第三章开关磁阻电机结构模态分析3.1电机振动模态的有限元分析数学模型3.2开关磁阻电机结构模态分析3.2.1定子铁心模态分析3.2.2绕组对定子结构模态的影响3.2.3机壳对定子模态的影响3.2.4电机整机对模态的影响3.2.5整机底座固定对模态的影响3.3本章小结第四章开关磁阻电机电磁振动响应与噪声分析4.1声学分析的数学模型4.1.1声压与声场5.1.2振动与噪声的关系5.1.3声学方程的建立4.2电机谐响应分析4.2.1电磁力加载4.2.2机壳振动响应分析4.2.3整机振动响应分析4.3电机电磁噪声分析4.3.1声场计算模型4.3.2声场计算前处理4.4电磁声福射仿真结果4.5本章小结第五章开关磁阻电机优化设计5.1极弧对振动的影响5.2气隙对振动影响5.3定子转子结构对振动的影响5.4本章小结第六章结论参考文献第五章 开关磁阻电机优化设计SRM不同的结构设计参数会对电机的气隙磁场以及向外辐射的电磁振动噪声产生影响。所以电机的优化显得格外重要如果能准确的掌握不同结构数据对电机电磁振动噪声的影响就能清楚准确的对电机的振动噪声进行优化设计通过在电机的设计阶段间只要经过较小的变动设计参数就能改善电机的振动噪声通过优化设计降低电机的整体振动。电机的振动主要由电磁振动和转矩脉动引起而电磁振动主要是径向力引起的分析对比不同情况下转矩脉动和径向力优化转矩和径向电磁力来达到降低振动。本章通过有限元计算详述了极弧、气隙、定子形状和转子形状不同对SRM的影响。5.1 极弧对振动的影响本节选取不同定子转子极弧系数以其中六组进行对比分析如表5.1所示通过优化电机的极弧系数减小电机转矩脉动与径向电磁力。来达到优化电机振动的目的。表5.1 定转子极弧系数表定子极弧系数0.40.40.40.50.50.5转子极弧系数0.350.40.450.350.40.45不同极弧系数组合下电机的转矩对比曲线如图5.1所示转矩对比情况表如5.2所示。图5.1 不同极弧系数时转矩对比表5.2 不同极弧系数下转矩对比定子极弧系数0.40.40.40.50.50.5转子极弧系数0.350.40.450.350.40.45转矩脉动%162137.5115136.310975转矩最大值/Nm18.713.510138.55.5通过图5.1与表5.2观察得到当定子极弧一定时转子极弧增加转矩脉动随之减小但转矩的出力也相对较小转子极弧一定时定子极弧增加转矩脉动减小转矩的出力也相对较小。应用有限元求解得到图5.2为不同极弧下径向电磁力对比图表5.3为径向电磁力最大值对比表。图5.2 不同极弧下径向电磁力的对比表5.3 不同极弧下径向电磁力最大值对比定子极弧系数0.40.40.40.50.50.5转子极弧系数0.350.40.450.350.40.45径向电磁力/N*m21.6E61.4E61.2E61.25E61.1E60.95E6综合SRM的转矩脉动和径向电磁力等多种因素考虑由图5.2和表5.3观察可以得出当定子极弧一定时转子极弧增加径向力减小电机的转矩也相对较小在转子极弧一定时定子极弧增加径向力也随之减小电机的转矩也相对较小。径向电磁力和转矩出力是一对相互矛盾的关系设计电机是我们要保证有足够的转矩也要使得径向力越小越好经过比较得出当定极弧为0.5转子极弧为0.4时径向力和转矩能达到最优时刻。5.2 气隙对振动影响电机的气隙不同也影响电机振动情况。气隙的优化可以从转子外径和定子内径改变来选择本文则以转子外径的变化改变气隙大小通过对转子外径大小的选取来对比转矩和径向力的影响。转子外径分别为68mm、68.2mm、68.4mm、68.6mm、68.8mm、69mm。图5.3为不同转子外径的转矩对比图表5.4为转矩对比表。图5.3 不同转子外径下转矩对比表5.4 不同转子外径下转矩对比转子外径/mm6868.268.468.668.869转矩脉动%125.2125.9128.6131134.4144.8转矩最大值/Nm8.78.89.29.610.212.5由图5.3和表5.4观察得到随着转子外径增大即气隙减小时转矩出力越大转矩脉动也相对越大。由前面几章分析得到电机的振动与径向电磁力有关。对不同转子外径下的径向电磁力进行分析得到径向力对比图为图5.4所示。径向电磁力最大值对比为表5.5所示。图5.4 不同转子外径下径向电磁力对比。表5.5 不同转子外径下径向电磁力最大值对比转子外径/mm6868.268.468.668.869径向电磁力/N*m27.5E58E59E59.55E51.1E61.25E6由表5.5可以得到电机的气隙不同径向力也会随之改变通过Ansoft分析得出一个适合的气隙对电机设计具有指导作用通过对比图5.3和图5.4我们可以得到定转子气隙越大径向力越小转矩出力也越小合适的气隙大小不仅可以降低电机径向力。又可以保证电机的转矩出力。这里选取转子外径为68.8mm。5.3 定子转子结构对振动的影响SRM的转矩波动和噪声与定子、转子外径及定子齿与槽的形状等各种参数有关。SRM的电磁振动通常是由径向电磁力作用在定子齿产生变形。在转子极与定子极重合时径向电磁力最强因此降低转子极与定子极的重合部分面积即可降低径向电磁力。根据Ansoft Maxwell建立电机的二维模型图图6.5a为改变前电机结构、b为转子极型的改进形状、c为定子极型的改进形状。a改变前电机形状 b转子极型改进形状c定子极型改进形状图5.5 电机结构通过设置材料属性、施加载荷和设置边界条件、剖分网格与设置求解参数等后分析求解。通过某一时刻沿圆周方向四个定子极距内气隙磁密的径向分量分布如图5.6所示。改变前电机的径向磁密最大值大约为1.8T定子极型改进形状的径向磁密最大值大约为1.4T转子极型改进形状径向磁密最大值大约为1.7T。从而得出新型定子形状和转子形状能有效降低电机径向磁密从而减小电机的振动情况。图5.6 径向磁通密度对比图对径向磁密进行谐波分析如图5.7所示改变前电机径向磁密的谐波比新型定子改进形状和新型转子改进形状要大表明新型定子形状和新型转子形状能有效降低径向磁密的谐波达到降低电机振动噪声的目的。a改进前电机径向磁密谐波 b新型转子形状径向磁密谐波c新型定子形状径向磁密谐波图5.7 径向磁通密度谐波分析SRM的转矩脉动和径向电磁力是其振动的重要原因图5.8为径向电磁力对比。图5.8 径向电磁力对比图由图5.6和图5.8可以观察到径向磁通密度大的地方对应径向电磁力也相对较大。由图5.8可知改变前电机的径向电磁力的最大值大约为1.25E6N*m2新型定子改进形状电机最大值大约为7.5E5N*m2新型转子改进形状电机最大值大约为1.15E6N*m2。由此可知改变前的电机的径向力相对较大新型定子形状和转子形状径向力相对较小对电机的振动影响也相对较小从而能有效降低电机的振动特性。通过综合考虑电机的转矩和径向电磁力的影响才能设计出符合实际工况的电机图5.9为转矩对比。图5.9 转矩对比图通过图5.9转矩对比图可知改变前电机转矩最大值大约为12.5Nm转矩脉动大约为144.8%。定子极型改进形状转矩最大值大约为5Nm转矩脉动大约为85.7%。转子极型改进形状转矩最大值大约为11Nm转矩脉动大约为138.5%。SRM在定转子极型改进后具有转矩脉动小的特点定子极型改进形状和转子极型改进形状的转矩脉动相比改变前电机要小一些能有效降低振动。转子新型改进形状和改变前电机转矩出力相差无几但新型定子改进形状中转矩出力相对小一些。结合电机的径向电磁与转矩分析结果表明采用定子新型改进形状和转子新型改进形状有利于改善电机的振动。5.4 本章小结本章通过对SRM本体设计分析极弧、气隙、定转子结构的研究得到结论如下1极弧和气隙对电机的转矩和径向力有较大影响从而影响电机的振动噪声选择合适的极弧和气隙有助于电机的减振降噪。2开关磁阻电机定转子极改进后不损坏电机出力特性但却大大降低定子径向电磁力和转矩脉动从而对于降低由径向电磁力产生的电机振动和噪声十分有效增加了电机的使用寿命。3本节实质上是通过改变气隙、极弧以及定子和转子齿的形状来改变表面气隙磁密的方向从而达到改变径向磁密和径向电磁力的目的此方法制造和改造成本低方便应用具有良好的工程现实意义。