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1、永磁无刷直流电机噪声分析及降噪设计方法研究 硕士学位论文 永磁无刷直流电机噪声分析及降噪设计方 法的研究 RESEARCH ON NOISE AND ITS REDUCTION FOR PERMANENT MAGNET BRUSHLESS DC MOTOR 曾庆初 2009 年 6 月 国内图书分类号：TM351 学校代码：10213 国际图书分类号：621.3 密级：公开 工学硕士学位论文 永磁无刷直流电机噪声分析及降噪设计方 法的研究 硕 士 研 究 生：曾庆初 导 师：宋立伟 教授 申 请 学 位：工学硕士 学 科：电气工程 所 在 单 位：电气工程及自动化学院 答 辩 日 期：2009
2、 年 6 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classified Index:TM351 U.D.C:621.3 Dissertation for the Masters Degree in Engineering RESEARCH ON NOISE AND ITS REDUCTION FOR PERMANENT MAGNET BRUSHLESS DC MOTOR Candidate： Zeng Qingchu Supervisor： Prof. Song Liwei Academic Degree Applied for ： Master of Engineering Speciality：
3、 Electrical Machine and Apparatus School of Electrical Engineering and Affiliation ： Automation Date of Defence ： June, 2009 Degree-Conferring-Institution ： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 永磁无刷直流电机采用永磁材料励磁，采用电子器件换向，因此具有效率 高、质量轻、控制简单、可靠性好等显著优势，已经在计算机设备、机械设 备、医疗设备、汽车产业和家用电器等领域取得了成功应
4、用。随着永磁无刷直 流电机应用的广泛和深入，噪声成为了制约其发展的突出问题之一。本文以永 磁无刷直流电机噪声的解析分析为基础，从理论与实验两个方面研究永磁无刷 直流电机降噪设计方法的相关问题。 本文分析了永磁无刷直流电机产生电磁噪声的机理，研究了永磁无刷直流 电机电磁噪声的特点，结合电机模型，运用解析方法分析出电磁噪声主要成份 的频率及幅值，并在 Ansys 中对电机定子模态进行了仿真。此外，讨论了轴承 噪声频率与声强的计算方法。 以 750W 空调风机用永磁无刷直流电机为例，探讨了降噪设计方法的相关 问题。针对采用不同极槽配合、削弱永磁磁场谐波和采用不同永磁材料三种降 噪方法，研究了四套不同
5、的方案，对比了降噪方法的效果，并分析了采用降噪 设计后对电机性能产生的影响。另外，从配合尺寸和装配工艺角度讨论了减小 轴承噪声的方法。 按照旋转电机噪声测定方法 GB/T 10069.1-2006 测试了四台样机的噪声并 进行了频谱分析。验证了本文噪声计算方法的正确性及降噪方法的有效性。同 时，通过实验方法研究了控制器对永磁无刷直流电机噪声的影响。 关键词：无刷直流；噪声；永磁电机；设计 I 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Permanent magnet brushless DC motor using permanent magnets excitation, for t
6、he use of electronic devices, have the advantage of high efficiency, light weight, simple control, reliability and so on. It has been successfully using in the computer equipment, machinery and equipment, medical equipment, automotive industries and the field of household appliances. With the wider
7、and deeper application of Permanent magnet brushless DC motor, noise has become a constraint to its development, one of the outstanding problems. This paper, based on the calculation of noise of permanent magnet brushless DC motor, study issues of permanent magnet brushless DC motor designing relate
8、d to noise reduction from both theoretical and experimental. This paper analyzes the BLDCM mechanism of electromagnetic noise, electromagnetic noise characteristics and the calculation of electromagnetic noise. Electric field in the finite element simulation based on the adoption of no-load exciting
9、 force, load and vibration characteristics of the stator vibration analysis, the no-load and load has been the main components of the electromagnetic noise of the frequency and amplitude, using the modulus Ansys modal analysis to verify the vibration characteristics of the stator of the correctness
10、of the calculation. In addition, this paper discusses the bearing noise frequency and sound intensity calculation. Taking 750W air blower using permanent magnet brushless DC motor as an example, this paper discusses the design of noise related issues. For different slot with a very weakened harmonic
11、 magnetic field of permanent magnet permanent magnet materials and the use of three different noise reduction methods, the design and manufacture of the four sets of different options to study the effect of noise reduction methods, and analysis of the use of noise reduction design after the impact o
12、f motor performance. In addition, from the point of the size and assembly process, it discussed the method of reducing bearing noise. In accordance with the method GB / T 10069.1-2006 of testing rotation motor noise, this paper tested four prototype and conducted noise spectrum analysis. Verify the
13、correctness of the calculation method of noise and the effectiveness of noise reduction method. At the same time, study the influence of permanent magnet brushless DC motor controller to the noise through testing way. Keywords ：brushless direct current, noise, permanent magnet motor, design II 哈尔滨工业
14、大学工学硕士学位论文 目 录 摘要. I Abstract .II 第 1 章 绪论.1 1.1 课题来源及研究的目的和意义 .1 1.2 国内外研究现状 .2 1.2.1 永磁无刷直流电机振动与噪声的分析与计算 .2 1.2.2 永磁无刷直流电机的降噪方法 .4 1.2.3 控制系统对电动机振动与噪声的影响 .6 1.2.4 轴承噪声的相关研究现状.6 1.3 课题主要研究内容 .7 第2 章 永磁无刷直流电机噪声的解析分析.8 2.1 电机噪声的分类 .8 2.1.1 噪声的定义 .8 2.1.2 电机噪声的分类 .9 2.2 永磁无刷直流电机噪声的特点 .9 2.3 永磁无刷直流电机电磁
15、噪声的解析计算 .10 2.3.1 空载电磁力波的解析计算.10 2.3.2 负载电磁力波的解析计算.13 2.3.3 定子振动特性及响应的计算.13 2.4 永磁无刷直流电机轴承噪声的解析计算方法 .17 2.5 永磁无刷直流电机噪声的解析计算实例 .18 2.5.1 计算模型 .18 2.5.2 电磁噪声的解析计算.19 2.5.3 定子振动特性的有限元仿真.22 2.6 本章小结 .25 第3 章 永磁无刷直流电机降噪设计方法的研究.26 3.1 降低电机电磁噪声方法的研究.26 3.1.1 采用合理极槽配合 .26 3.1.2 削弱永磁谐波磁场 .28 3.1.3 采用不同永磁材料 .
16、29 3.1.4 样机的研究 .30 III 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.2 采用降噪设计对电机性能的影响 .31 3.2.1 机械特性 .31 3.2.2 效率 .32 3.2.3 成本 .32 3.3 本章小结 .33 第4 章 永磁无刷直流电机噪声问题的实验研究.34 4.1 测试方法及数据处理 .34 4.1.1 噪声的测试方法 .34 4.1.2 测试数据 .35 4.2 测试结果的分析 .36 4.2.1 8 极 9 槽钕铁硼永磁方波磁场样机 样机 1 .37 4.2.2 8 极 12 槽钕铁硼永磁方波磁场样机 样机 2 .38 4.2.3 8 极 12 槽钕铁硼永磁正弦波
17、磁场样机 样机 3 .39 4.2.4 8 极 12 槽铁氧体永磁正弦波磁场样机 样机 4 .40 4.2.5 实验结果分析 .41 4.3 控制器对电机噪声影响的实验研究 .41 4.4 本章小结 .42 结论.44 参考文献.45 攻读硕士学位期间发表的学术论文.49 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.50 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.50 致谢.51 IV 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪 论 1.1 课题来源及研究的目的和意义 噪声是由一系列不同频率、不同强度的纯音无规律地组合在一起，是一类 引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。随着工业生产、交通运输、
18、城市建筑的发展，以及人口密度的增加，它已成为污染人类社会环境的一大公 害。它不仅能够干扰休息和睡眠、影响工作效率，而且容易损伤听觉、视觉器 官并对人体的生理产生影响。因此我国政府己于 1996 年颁布了中华人民共和 国环境噪声污染防治法，对噪声污染的防治用法律的形式确定下来，用来最小 限度的降低噪声对环境、人体等的危害。 电机是工业噪声的一种噪声源，电机的噪声已被列为衡量质量的一项重要 指标，成为影响其在市场上竞争的一个重要因素。目前，我国有许多产品不能 打入国际市场的原因之一就是噪声指标未达标。因此，现代机电设备的设计不 但应该面向安全、平稳、长寿命、满负荷、最优运行的方向发展，而且需要融
19、入健康、安全、环保、以人为本的新理念。振动与噪声控制正是在这种发展的 大环境下应运而生的研究方向。为了使人们有一个安静、舒适的生活和工作环 境，也为了提高我国电机产品在国际市场的竟争能力，迫切需要控制电机的噪 声和振动，加强对电机噪声的分析和控制技术的研究工作。 永磁无刷直流电动机在我国的应用还处于一个刚刚起步的阶段，距离欧 美、日本还有一定差距1-2 ，但是，在我国“十一五”期间国内总产值能耗要求降 低 20% ，并把此要求作为硬指标对各省市进行考核的大背景下，永磁电机以其 无可比拟的节能优势终将成为未来电机行业的主流产品。目前，永磁电机正以 大致 8%的年增长速度逐步取代感应电机的市场份额
20、，目前在某些行业永磁电机 已经完全取代了感应电机和有刷电机。 从应用角度来讲，最关心电机的机械特性、效率、成本和噪声等性能。永 磁无刷直流电机经过近几年的发展，基本设计理论已经趋于成熟，对于给定的 机械特性、效率和成本指标，实现已不成问题。但是，如何从设计层面预测和 抑制其噪声与振动，还需要进行很多扎实的工作。因此，本文以永磁无刷直流 电机的噪声及降噪设计为研究对象，一方面可以丰富永磁无刷直流电机的理论 研究，另一方面为促进永磁无刷直流电机的普及贡献一份力量。 - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2 国内外研究现状 1.2.1 永磁无刷直流电机振动与噪声的分析与计算 1.2.1.1
21、 气隙径向力波及其谐波分析 英国谢菲尔德大学的诸自强教授是研究永磁同步电动机和控制系统与振动 噪声特性关系的的最早学者之一。在 1993 年，他就利用解析方法计算了永磁无 刷直流电机的瞬态磁场分布，并且推导了四种不同情况，包括开路场、电枢反 应场、定子齿槽效应和负载下的合成磁场。结果与有限元计算结果非常接近， 为永磁无刷直流电机径向力的计算奠定了理论基础3-6 。此后，又计算了永磁无 刷直流电动机辐射的电磁噪声7 。 法国的S.Chenet等学者在 1995 年对两台永磁同步电动机有电流谐波和无电 流谐波的径向振动和转矩脉动的实验和理论计算发现，三相电流对称时，电流 基波和电磁结构之间的交互作
22、用产生径向振动和切向振动加速度，其谐波的幅 值随电流幅值的增加而增加，随电流和电动势之间的相角的变化而变化。三相 8 不对称时，电流对切向转矩脉动影响较大，对径向振动影响较小 。 比利时Ronnie J.M.Belmans教授在 1991 年发表的论文中指出:当电磁力的频 率接近定子的固有频率时，可产生较高的噪声，但受阻尼和定子辐射特性的限 制9 。 1993 年，Dirk Verdyck提出永磁同步电动机定子模态形状和电磁力有关的 声学模型；指出电动机内部的磁场是定子结构振动、进而产生噪声的重要激扰 源，由此导出了广义电磁力的计算公式；用模态分析的概念计算了电动机定子 的振动级10,11 。
23、 2003 年，西安交通大学的博士生王兴华根据Schwarz-Christoffel变换函数， 计算了表面式永磁无刷直流电动机的气隙磁场分布和瞬态特性，计算了瞬态电 磁转矩，定量分析了转矩脉动和由换向产生的脉冲，并进行实验验证，为精确 地预估表面式永磁同步电动机的特性和噪声铺平了道路12 。 1.2.1.2 径向力波及其谐波的数值法分析 上世纪 90 年代以来， Ronnie J.M.Belmans 等学者在用数值法对电动机径 向力波及其谐波进行分析计算的研究方面，取得了一些新的进展,并得到了越来 越广泛的应用。 1989 年，比利时凯舍里克大学Ronnie J.M.Belmans教授等人指出
24、，气隙磁 密分布谐波成分最小化的经典准则在永磁同步电动机中同样适用，设计时转矩 和气隙磁密分布谐波成分必须同时考虑，但没有计算电磁力13 。法国Y. Lefevre - 2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 等学者提出引起定子振动的电磁力的有限差分计算方法；由此计算了施加在永 磁同步电动机定子内表面电磁力的波动情况，并对导致电动机振动的这些力的 谐波进行分解，发现径向式和切向式永磁体结构的电动机之间定子振动特性有 重要的区别，但没有考虑载荷和转子的旋转14 。 1993 年，法国格勒诺布尔电工技术实验室的M.E.H.Benbouzid等学者用有限 元法计算了同步电动机定子固有频率特性和电磁力的分布，并与实验结果进行 了比较，其中电磁力的计算使用FLUXMECA二维计算软件，没有进行谐波分析 15 。 1995 年，法国H.Javadi等学者指出了低噪声永磁同步电动机的设计应大致 分几个步骤：首先使用主要的机电量的简单解析表达式，如转矩、磁通等给出 电动机的大致尺寸参数，如气隙、永磁体厚度等；然后确定其它的一些参数， 如齿槽数、极数、绕组形式和永磁体的形状等；最后计算作用在定子上的电磁 力和定子的机械响应，如图 1-1 所示16 。 图 1-1 表面式永磁电机及内置式永磁电机 90 年代中后期，一些
