永磁电机效率和噪声

1、硕士学位论文压缩机用永磁电机效率和噪声的研究RESEARCH ON EFFICIENCY AND NOISE OFPERMANENT MAGNET MOTOR USED INCOMPRESSOR杨国庆哈尔滨工业大学2015年6月学校代码：10213密级：公开国内图书分类号：TM351国际图书分类号：621.3工程硕士学位论文压缩机用永磁电机效率和噪声的研究硕士研究生：杨国庆导师：宋立伟申请学位：工程硕士学科：电气工程及其自动化所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2015年6月 授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index:TM351U.D.C: 6213Dissertati

2、on for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON EFFICIENCY AND NOISE OFPERMANENT MAGNET MOTOR USED INCOMPRESSORCandidate：Yang GuoqiiigSupervisor:Song LiweiAcademic Degree Applied for:Master of EngiiieeringSpeciality：Electrical EngineeringAffiliation；School of Electrical Engine eiiiig andAutomatio

3、nDate of Defence:June,2015Degree-Confei ring-institution: Haibiii Institute of Tecluiology哈尔滨工业大学工程硕七学位论文摘要作为空调床缩机的核心动力部件，永磁电机的效率与噪声问题直接影响圧 缩机的整机性能。永磁电机的效率和噪声问题相互约束共至矛盾，分析永磁电 机的效率和噪声问题具有实际意义。本文将结合压缩机电机的应用背景，帀绕 永磁电机的效率和噪声问题进行研究与分析。酋先，对电机铁心损耗的计算方法及影响因素进行研究分析。为较准确的 计算铁心损耗，在考虑旋转磁化和谐波磁场情况下，本文在正交分解铁耗模型 的基

4、础上，修正其损耗系数，考虑磁密幅值对铁心损耗系数的影响，给岀变系 数正交分解铁耗模型，并利有限元计算结果相比较，模型准确性由空载铁耗实 验进行验证。空载铁心损耗分离时，机械损耗由无磁转子测试获得。基丁此铁 耗模型分析了电机主磁场对铁心损耗的影响。本文在考虑实际工业化生产的前 提下，提出转子外圆由多段不等半径圆弧拼接的优化措施，能够有效改善电机 气隙磁场波形，在电机转矩系数不变时，减小电机铁心损耗，提高电机效率。其次，径向电磁力是引起电机振动与噪声的主要原因，本文从气隙磁场入 手，利用解析的方式推导了永磁电机的径向电磁力，并通过有限元进行验证。 为方便分析和突出主要阶次电磁力波，本文忽略高次磁动

5、势和齿谐波磁导产生 的高次谐波磁场，分别分析了空载和负载时PMSM的主要阶次力波及频率特性。然后，在压缩机的应用背景下，研究永磁同步电机定子铁心各阶模态问题。 存保证相同冷媒流通而积的前提下，比较分析定子辄部切也形状对电机固有频 率的影响。本文提出定子切边和回油槽结合的定子辄部设计，能够在相同冷媒 流通面积下，具有最高的定子刚度，一定程度上能够降低噪声。通过动力学分 析，利用电磁与结构弱耦合的方式计算电磁振动，引入声辐射模型计算电磁噪 声。比较分析气隙磁场波形对电机噪声的影响，表明本文提出的转子外圆优化 措施能够降低电机噪声。最后，电磁负荷配比直接决定电机铜耗和铁耗分布，从而决定电机效率， 而

6、磁负荷乂直接影响径向电磁力，进而影响电磁噪声，因此电机效率和噪声性 能相互约束。本文研究电磁负荷配比、齿轨比例以及定子槽型对损耗分布以及 电机噪声的影响，均衡电机在两个负载状态下的效率和噪声性能，确定最佳电 磁负荷配比以及齿辘尺寸。完善电机结构参数，进行样机设计和加工，完成电 机的空载和负载实验，实验结果和仿真计算基本吻合。关键词：压缩机：永磁电机：损耗；电磁力：模态；噪声AbstractAs the core power part of air conditioning compressor, the efficiency and noise paoblems of permanet mag

7、net motor directiy affect the overall performance of compressor. Efficiency and noise of permanent magnet motor tend to be relate to each other, even contra diet oiy. Analysis of the efficiency and noise performance of permanent magiiet motor will have practical significance In combination with the

8、application backgiound of the compressor motor, this ariticle will research and analysis revolved around efficiency and noise of permanent magnet motor probl ems.Firstly, the paper discusses the calculation method of core loss and influence factor. To accurately calculate the core loss, considering

9、the rotation of magnetization and harmonic magnetic field, in this paper, based on the orthogonal decomposition of iron loss model, we amend the loss coefficient by considering the influence of flux density amplitude on the core loss coefficient. Variable coefficient orthogonal iron loss model is gi

10、ven out and the model accuracy is verified from the no-load iron loss test, which mechanical loss obtained by no magnetic rotor. Based on the iron loss modeL we resea ch the influnence of the main air gap magnetic field for core loss Iii this paper, oil the premise of considering actual industrial p

11、roduction, an optimization measure of rotor is put forward, which the rotor is composed of three different radius of circular arc. As the coefficient of motor torque constant, this form can acijust motor air gap magnetic field waveform and decrease the motor iron core loss and improve the efficiency

12、 of the motor.Secondly, Tlie radial electromagnetic force is the main cause of motor vibration and noise, from the air gap magnetic field the radial electromagnetic force of permanent magnet motor is deduced and verified by finite element method. For the convenience of analysis and highliglit the ma

13、in problem, we ignore the high harmonic magnetic field genrated by liigli harmonic magnetmotive and the tooth harmonic permeance Tlie primary order force and fiequency characteristic of load and no-load are analyzed respectivelyThirdly、under the background of the compressor application, the paper sh

14、idies the stator modal of permanent magnet synchronous motor. On the premise of the same refrigerant flow area, the influnence of stator yoke cut shape for core modal frequency is compared. Tliis paper design the stator yoke combined cut with groove, which have the highest of the stator stiffness, t

15、o some extent, it can reduce the noise. Tlirough the dynamics analysis, the electromagnetic vibration can be calculated and the electromagnetic noise can be calculated by the acoustic radiation model. lhe -II-哈尔滨工业大学工程硕七学位论文influence of air gap magnetic field waveform of motor noise is compared, the

16、 result show that the proposed optimization measure of rotor can reduce the motor noise.Finally, electromagnetic load ratio directly decided the motor copper loss ancl iron loss distribution, which determine the motor efficiency. And the magnetic load directly effect on the radial electromagnetic fo

17、rce, which affect the electromagnetic noise, so the motor efficiency and noise performance constraints to each other. Tlie paper annlysis the influence of electromagnetic loaddistribution and the propoetion of teeth and yoke for loss distribution and electromagnetic noise. Balancing the efficiency a

18、nd noise of the permanent magnet synclironous motor under two load condition, the best electromagnetic load ratioand the propoetion of teeth and yoke are determined After motor stnictiire parameters were confirmed, the motor is designed and processed Tlie no-load and load experiment is done and the

19、results agree with the simulation.Keywords: compressor, permanent magnet motor, loss, electromagnetic force,structural modal, noiseiii哈尔滨工业大学工程硕七学位论文目录摘要IABSTRACT口第1章绪论11.1课题背景及研究的目的与意义11.2永磁同步电机效率与铁耗计算的研究现状11.2.1高效永磁同步电机的研究现状21.2.2永磁同步电机铁心损耗的研究现状41.3永磁同步电机振动与噪声的研究现状513.1永磁电机电磁振动与噪声的研究现状513.2永磁电机结构模

20、态的研究现状71.4本课题的研究内容9第2章永磁同步电机铁心损耗与影响因素分析112.1引言112.2永磁同步电机铁心损耗的研究分析112.2.1永磁同步电机铁心磁场的分析112.2.2考虑旋转磁化的铁心损耗计算模型142.23铁耗系数与磁密幅值的变化关系152.3永磁同步电机空载铁心损耗实验162.4永磁同步电机气隙磁场对铁心损耗的影响172.5本章小结21第3章 永磁同步电机噪声问题的研究233.1引言233.2永磁同步电机径向电磁力的研究分析233.2.1永磁同步电机气隙磁场的分析233.2.2永磁同步电机径向电磁力的解析分析253.2.3永磁同步电机径向电磁力的有限元分析303.3永磁

21、同步电机定子结构模态的研究分析333.3.1永磁同步电机定子铁心的模态分析333.3.2考虑冷媒流通的定子辘部优化设计353.4永磁同步电机电磁振动与噪声的研究分析373.4.1永磁同步电机电磁噪声的计算373.4.2永磁同步电机振动位移的计算383.4.3不等半径分段式转子外圆对电机噪声的影响393.5本章小结41第4章兼顾效率和噪声的IPM设计及分析434.1 弓| 言434.2永磁同步电机主要参数和结构形式的确定434.3永磁电机效率和噪声问题的分析444.3电磁负荷配比对电机效率和噪声的影响484.4定子齿純尺寸对电机效率和噪声的影响504.5定子槽型对电机效率和噪声的影响524.6电

22、机结构参数确定及性能分析534.7本章小结55第5章 样机设计与实验测试565.1引言565.2样机空载反电势实验565.3样机负载效率实验575.4本章小结59结论60参考文献62攻读硕士期间发表的论文及其他成果66哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限67致谢68 v哈尔滨工业大学工程硕七学位论文第1章绪论1.1课题背景及研究的目的与意义在环境和能源问题愈演愈烈的社会背景下，节能已经成为社会发展所必须关 注的问题。随着生活质量的提高，制冷空调普及度有所增加，据统计全国范围内 制冷空调耗电量占全年耗电量20%，圧缩机作为制冷空调的重要组成原件，其耗 能比例最大，因此，压缩机用电机的节能高

23、效对制冷空调的能效提升具有明显意 义。目前，应用于空调压缩机电机主要包括感应电机和永磁同步电机两种，感应 电机市场占有率较高，而随着国家能源政策的推动，稀土永磁电机以其高能效比 的特点将成为我国空调压缩机用电机的发展趋势。因此，研究空调压缩机用稀土 永磁同步电机的损耗和效率问题，将对制冷空调行业内的能效提升有显著意义。制冷空调等家电类产品直接面向使用客户，客户的使用需求和性能体验推动 着空调英至家电行业的发展。空调噪声问题是最直接的性能体验之一，空调外机 的床缩机噪声以及由其振动所引起的飯金壳体振动噪声是室外噪声的主要來源， 压缩机电机的电磁振动和噪声问题也己成为制冷空调行业内主要关注问题。压

24、缩 机的振动和噪声除直接影响空调体验性能外，还将对空调的整体性能造成影响， 如使用寿命和运行可靠性等。除压缩机的效率性能外，其电磁振动和噪声也是制 冷空调行业内的主要市场竞争指标。因此，有必要研究圧缩机用永磁电机的电磁 振动和噪声问题。综上，作为制冷空调压缩机的主要组成部分，稀土永磁同步电机的效率和噪 声问题将直接影响产品的性能优劣。对于电机本体而言，其噪声和效率性能是相 互约束共相互矛盾的，压缩机电机需要同时兼顾电机的效率和噪声性能。因此， 本课题研究稀土永磁电机的效率和噪泄问题具有实际的应用价值和理论意义。1.2永磁同步电机效率与铁耗计算的研究现状目前，在世界范围内都在致力于高效和超高效率

25、电机的研发工作，在欧美等 部分发达国家，高效电机的研发和推广应用多数以法律法规的形式进行推进和推 广，高能效标识的电机推广利使用已经成为国家能源和环境保护的战略性内容% 我国也积极推进主要能耗设备的效率提升问题，在“十一五”节能中长期专项规 划中，对我国主要能耗设备的能效水平做出预期评价，要求达到国际先进水半。1.2.1高效永磁同步电机的研究现状国外利用稀土优异的磁化特性研发高效电机至今已经有30多年的历史。1992 年，美国威斯康辛教授和意大利都灵理工学者研究非晶合金轴向磁场电机，开发 并设计了一台双转子结构轴向电机。该电机铁心由非晶合金绕制而成，避免钢片 的冲裁栓丿玄，缩短了生产周期，研究

26、结果表明电机效率更高铁 美国通用电气将铁 基非晶合金应用于电机定子铁心，通过负载实验电机效率能够较普通硅钢片电机 提高1%，但是采用损耗分离的方式，电机空载铁心损耗下降80%习，说明电机铁 心材料采用非晶合金能够显著地减少铁心损耗，但是由J：非晶合金物理性能较脆 较硬，而且磁性能受应力影响显著，致使加工和制造工艺闲难，非晶合金饱和磁 密低，工作磁密仅为1.3T需要对电机参数进行重新设计。同时，非晶合金是磁滞 伸缩系数高于硅钢片，铁心压紧力不能过高，导致非晶合金电机的振动噪声要高 于硅钢片电机回。1997年，口本电机工程实验室研发双层内置式永磁电机，如图11所示，双 层永磁体结构能够增加电机q轴

27、电导，从而增加磁阻转矩使得转矩增加10%,电 机高效运行区增加，电机在额定运行范围内效率水平达到93%。2007年，I本学者对应用于吸尘器的2极1.5RW永磁电机效率问题进行相关 研究，在相同结构尺寸下，比较分析了分布式绕组、集中绕组以及无槽定子铁心 对高速永磁电机性能的影响。指出在低频2000rpm时，控制三种规格电机定子铜 耗相等，集中绕组和分布绕组具有较高的效率值分别为94.9%和94.2%,而无椚铁 心绕组英输出转矩小，电机效率较低为79.0%：高频50000rpm时，集中绕组和分 布式绕组铁心铁耗上升明显，电机效率值下降，而无槽铁心铁耗小，电机效率上 升至95.6%°】。2

28、008年，韩国学者设计研发一种应用于高速飞轮储能系统的30RW/4极 3 哈尔滨工业大学工程硕七学位论文Halbach结构双转子永磁电机，电机模型如图12所示，定子绕组位于内外双层 Halbach永磁体阵列之间，定子绕组采用无铁心结构，该电机轴伸长度为50mm, 外转子外径为109mm,内转子内径为28mm.绕组和气隙直径为33.5mm,双层永 磁提厚度分别为lOnun和15mnio该电机结构利用Halbach永磁体阵列的门身屏蔽 效应，转子铁心不易饱和，转子轨部设计尺寸合理，并在气隙磁场内产生高度正 弦的分布磁场。定子无铁心绕组，使得电机空裁铁心损耗被大幅度削弱，电机效 率得以提升叨。#哈尔

29、滨工业大学工程硕七学位论文#哈尔滨工业大学工程硕七学位论文图1-2 Halbach结构双转子永磁电机我国沈阳工业大学研发高效稀土永磁电机较早，并取得一定成果，开发和设 计了我国首台4kW/4极稀土钻永磁电机和l.lkW/6极钱铁硼永磁电机，性能提升 明显，并在此基础上研发一系列高效永磁电机切。国内，针对油田用电机负载特 性，在减小机座号的条件下，研发高启动转矩高效电机系列如图13所示，该系列 电机在额定匸作点时具有高效率和高功率因数，并且在轻载时也具有较优的性能 参数，应用于油田抽油机时可以节约20%左右的用电最。图1-3抽油机用高效高永磁电机2007年，沈阳工业大学学者利用粒子群算法对纺纱用

30、异步启动永磁电机进行 效率优化，主要对极弧系数以及转子磁钢进行寻优处理，优化后电机用铜量和永 磁体用量均略微减少.电机效率达到92.3%较优化前增加0.7%12L2008年，哈尔滨工业大学采用口本高性能硅钢片研发750W高效永磁同步电 机，该电机采用10极12槽配合，轴向长度80mm,外径120mm.电机运行效率 高达94.7%冋。国内市场上，在高效永磁电机研发方而，出于提高憎满率和节约硅钢片材料 等方而的考虑，提出拼块式定子铁心和狡链式定子铁心分别如图14所示。铉链式 铁心和拼块式铁心，能够节省电机硅钢材料，方便绕组下线，槽满率较高。拼块 式铁心电机磁路受拼装方式影响不理想，铁损较幣块式铁心

31、高，振动噪声有所增 加，刚性较差；较链式铁心电机磁路优于拼块式铁心，但是加工工艺要求高，制 作难度大，刚性略差于整体式铁心X】。在保证加工工艺的情况下，拼块式铁心和 狡链式铁心均能够提高电机效率。a）拼块式铁心b）较链式铁心图14拼块式和狡链式定子铁心122永磁同步电机铁心损耗的研究现状对于永磁同步电机而言，铁心损耗是电机的主要损耗之一，分析影响电机铁 心损耗的相关因素对电机效率的提高以及电机性能的提升有重要意义。电机铁心 损耗的产生机理复杂，影响因素较多，因此，铁心损耗的计算一直是电机行业内 的研究热点2】。目前，基于有限元计算的铁耗模型一般是基于由Bertotti提出的经典铁耗分离 模型。

32、在该模型中将由随时间和空间变化的磁场在电机铁心中产生的损耗按产生 机理不同分为涡流损耗、磁滞损耗以及附加损耗“】。其中，磁滞损耗是由于电机 铁心在磁场中被反复的磁化，包括交变磁化和旋转磁化，磁畴之间相互摩擦所造 成的能最损失；涡流损耗是由于电机铁心出于变化的磁场内，磁通发生变化，在 电机铁心中产生感应电势，硅钢片的导电特性，进行在铁心内部引起环流，产生 涡流损耗；除铁心的磁滞损耗和涡流损耗外，由磁畴位移和磁化旋转引起的非各 5哈尔滨工业大学工程硕七学位论文向同性应变场变化而产生滞后时，所产生的磁滞余效和共振引起的损耗。在该 铁耗模型的基础上，Fiorillo F等人考虑铁心的交变磁化过程，提出

33、了基于非正弦 谐波磁场的修正铁耗计算模型同。在正弦交变磁场下，还有学者提出两项式铁耗 计算模型，该模型将附加损耗以原子磁矩变化所消耗的能屋分别计入到磁滞和涡 流项，原理是相同的。实际上，旋转电机铁心内的磁场除交变磁场外，还存在着旋转磁化作用，在 电机定子觇部磁密为1T1.5T时，由旋转磁化所产生的铁心损耗将要高于交变磁 化产生的铁心损耗45%»65%,因此旋转磁化对电机铁耗的影响在铁耗计算中必须 给予考虑。朱建国等人在结合多次试验测量数据的情况下，提出了应用于椭圆形 旋转磁场的铁耗计知模型，经过测试证明利用该模型进行计算和铁心损耗测试值 相差在10%左右，准确率较高"I。利

34、用椭圆形铁耗模型时，需要得到铁心在圆形 旋转磁化和正弦磁场下的铁耗系数，硅钢片厂商目前只提供交变磁化下的铁耗数 据，而圆形磁化下的铁耗系数不易拟合获得，限制该模型的使用和推广勿。国内，东南大学学者黄允凯等人在2007年提出利用两个相互正交的交变磁场 近似等效旋转磁化效应，这样可以利用交变磁化下的损耗数据拟合铁耗系数采用 正交分解的铁耗模型进行计算，文中分别对4种交变磁化下的铁耗计算结果进行 比较，指出正交分解的铁耗计算方法更接近实际测试值囚】。2011年，哈尔滨工业 大学江善林等人，在研究高速永磁同步电机铁耗计算时，在考虑电机旋转磁化的 基础上，研究分析了电机频率对损耗系数的影响，指出当电机频

35、率变化时，磁滞 损耗系数和附加损耗系数的变化波动不大，而受高频导致的趋肤效应影响，涡流 损耗系数变化较大，并对涡流损耗系数做出修正，进而捉出了考虑趋肤效应和旋 转磁化的铁耗模型，并在文中分析了充磁方向和磁钢斜边角对电机铁耗的影响卩讥13永磁同步电机振动与噪声的研究现状稀土永磁同步电机的电磁振动与电磁噪声问题口益受到重视，国内外学者围 绕电磁振动与噪声问题进行许多分析和研究，从电机振动和噪声的产生机理进行 推导分析，总结出许多具有参考价值的理论与方法，具有很高的参考价值。关于 永磁同步电机振动与噪声问题的研究现状主要集中在以下方面：1.3.1永磁电机电磁振动与噪声的研究现状永磁电机随空间和时间变

36、化的径向电磁力是引起电磁振动与噪肖起因，径向 电磁力的求解涉及到电机气隙磁场分布，目前关于电磁力的计算主要分为解析计 哈尔滨工业大学工程硕七学位论文算和利用有限元进行计算。早在20世纪80年代，英国博士 SJ.Yimg利用解析的 方法，从磁势和磁导推导了气隙磁场，进一步分析由气隙磁场谐波产生的电磁力 波，计算简单但是分析精度较低，无法计入开杷I、饱和以及转子运动等对电磁力 的影响。到90年代，G.Reyiie等人利用有限元软件分析研究了稀土永磁同步电机 的径向电磁力的分布情况，重点研究了定子槽口和电机饱和现象对径向电磁力的 影响p3o H本松下公司，研究冰箱床缩机用永磁电机噪声的产生原因，指出

37、集中 绕组的端部短，其损耗低于分布式绕组，但是振动噪声大；减小电机的电磁噪声 可以采用増加永磁电机气隙长度的方法，增加气隙长度可以使电机的磁密降低， 径向电磁力幅值将被削弱，同时径向电磁力变得平滑，从而减少噪声；内置式电 机转子涡流损耗要小于表贴式电机，但噪声大于表贴式电机判。美国Rakib Islam等人对永磁同步电机的电磁振动与噪声问题进行相关分析研 究，表明气隙磁场产生的切向电磁力波会产生转矩波动，对电机噪声的影响不大： 而径向电磁力是使电机产生振动的主要原因卩讥口本学者Yosliinari Asano等学者 经过分析指出，集中绕组电机的噪声耍高于分布式电机，其原因是集中绕组的局 部径向

38、电磁力要大于分布式绕组电机，进而电机定子铁心变形位移大，引起的电 磁噪声较高卩铁D.H.Clio提出利用变床器模型计算感应电机电磁力波，结果表明， 在计算空载感应电机的径向电磁力时精度较高，负载时计算准确性稍差国】。美国 M.N.Anwar研丸了开关磁阻电机的瞬态电磁场，计算了作用在定子铁心内层而的 径向电磁力波，并通过傅里叶分析研究其各系谐波以及频率等卩°。Lee.S等人从优 化电机定子冲片的角度对降低电机噪声进行研丸，分别对内置式永磁电机的定子 齿宽、肩角高度、槽底尺寸和定子辄离等尺寸进行优化设计，从提高电机定子刚 度和稳定性的方面进行电机噪声抑制绚。Zarko.D等人对永磁电机

39、的气隙磁导函数 做了改进，文中通过保角变换给出复相对磁导函数的计算方法，利用文中方法计算 得到的径向和切向磁密准确度较高】。徳国学者F.Taegen等人分离径向电磁力的时间谐波对永磁同步电机电磁振动 与噪声的影响，提出可以通过增加电机定子相数的手段减少径向电磁力，并通过 实验加以验证卩°】。意大利学者D.Parente分析永磁直流电机二维电磁场分布情况, 利用麦克斯韦应力法和虚功计算电磁力进而得到电磁噪声，指出通过优化转子磁 钢形状永磁体两端削减为菱形，能够有效降低电机的转矩波动，并使噪声下降】。 罗马J.A.Guemes等人研究了集中绕组永磁电机的齿槽转矩以及转矩脉动问题，文 中指

40、出定转子的极槽配合以及定子绕组的形式对齿槽转矩、电机噪声以及转矩脉 动影响显著卩国内，哈尔滨匸业大学陈磊等人对无刷直流电机的电磁振动和电磁噪声问题 #哈尔滨工业大学工程硕七学位论文进行研究分析，文中比较分析了 9槽电机在6、8、10和12极下的噪声情况，指 出受极槽配合影响，8极和10极9槽电机在绕组分布上由临近的3槽构成一相绕 组，电机负载吋将产生不平衡磁拉力，对噪声产生影响，并对这两种极槽配合下 的不平衡磁拉力进行定量分析，指出9槽10极电机和9槽8极电机具有相同的绕 组系数，但是9槽10极电机的径向电磁力、电磁振动和噪声均优于9槽8极电机 33«浙江大学杨浩东等人针对分数槽永磁

41、同步电机的振动和噪声问题，提出通过 定子绕组注入补偿电流的方式消除低阶空间电磁力波，从而抑制分数槽永磁同步 电机的噪声问题，文中指出通过注入谐波电流会有效降低电机噪声，但是注入补 偿电流后会导致电机转矩常数变化，转矩波动会有所降低，同时，电流谐波补偿 后在相同转矩时定子电流会增加，电机铜耗增加，而补偿电流后，电机磁场削弱 电机铁耗降低珂。山东大学学者张冉研究了表面式永磁电机的径向电磁力问题，文中研究了电 机极弧系数以及转子外形等参数对径向电磁力的影响，并提出基于磁极偏心的永 磁电机电磁力的抑制方法，同时，文中也研究定子开辅助槽的方式來抑制电磁噪 声卩辅助槽电机能够降低噪声的原理是通过开辅助槽改

42、变电机气隙磁密分布， 相当于改变电机的定子槽数，从而削除低阶数径向电磁力，抑制噪声卩6】。哈尔滨 工业大学代颖研究电动车用感应电机的噪声问题，文中从电机模态和电磁力两方 而分析了感应电机噪声问题，提出抑制噪声的优化设计方法，分析了不同槽配合 的感应电机的噪声特性，指出通过合理的选择感应电机定转子槽数可以消除特定 次数电磁力，降噪效果明显卩“°13.2永磁电机结构模态的研究现状电机定子系统的固有模态频率是研究电磁振动与噪声时需要考虑的另一主要 性能指标，因此研究电机相关结构参数对定子模态的影响具有重要价值。模态分 析是将系统辨别方法在机械振动和噪声等领域中的实际应用，是近代结构动力学

43、中分析结构动力特性的一种方法。电机定子系统的固有频率可以通过解析计算获 得，对于结构较为复杂的机械结构可以采用有限元的计算方法，也可以采用敲击 实验获得。国内外学者对电机定子系统的结构模态进行许多有理论价值和实际应用价值 的研究。早期Den Hartog等人提出利用单环型机电类比法计算电机定子铁心的固 有模态，研究中将电机定子铁心等效为一单层圆环，定子绕组和齿部对模态频率 的影响以附加质量的方式來计入。然而，单环型机电类比法无法考虑机壳对电机 哈尔滨工业大学工程硕七学位论文定子固有模态的影响，因此，Erdelyi等人在单环机电类比法的基础上提出了双环 型机电类比法，用以分析机壳对电机定子系统的

44、影响，随后陆续有许多学者对双 环机电类比法进行改进和完善无论是单环还是双环的机电类比法，都能够通 过对规则儿何形状的电机结构进行分析计算，能够满足一般工程上的需求，但是 当需要考虑绕组、复杂结构系统以及端盖的结构的模态频率时，计算误差较大， 因而，目前对电机模态的研究分析往往采用模态综合技术和有限元等方法。Jason D.Ede等学者利用实验和有限元的方法研究了高速无刷电机转子的模态 频率，分析电机转子的材料特性以及物理特性对其模态频率的影响卩刃。1992年， M.E.H等人对永磁同步电机定子系统的模态问题进行研究，在研究中采用有限元 的方法进行分析，在文屮比较分析了 4种电机定子系统的等效模

45、型对定子振型及 频率的影响，4种等效模型分别为定子铁心等效为定子轨环、考虑定子齿部的定子 铁心、考虑定子绕组的定子铁心以及考虑定子槽楔的定子铁心，文中分析结果表 明：绕组浸漆后能够提高定子系统各阶振型的固有频率，在高阶时，定子齿部作 为附加质量的计算方法误差较大。2001年，S.A Long等人采用有限元的方法研究开关磁阻电机的固有模态问题, 文中分析了定子绕组以及电机用硅钢片的材料特性对开关磁阻电机的固有频率以 及各阶振型的影响，并采取锤击实验对理论分析进行验证，文中指出将绕组以附 加质量的方式计入电机定子铁心的计算方式误差较大，忽略绕组端部和不计入绕 组对电机定子系统的彫响较小】。2004

46、年，韩国Hong-Seok等学者利用锤击实验 研究洗衣机用内置式永磁同步电机电磁振动和噪声问题，分别从电机模态频率、 模态振型和电磁力波的进行分析研究】。我国浙江大学1995年起研究磁阻电机调速系统的电磁噪声问题，在模态分析 方面，提出利用能量法计算开关磁阻电机的固有频率】，但是利用能量法进行模 态分析时，无法考虑电机结构形式，如机壳和铁心的配合方式。2004年，浙江大 学吴建华基于开关磁阻电机的电磁噪声问题进行进一步研究，开关磁阻电机电磁 振动是引起电机噪声的主要原因，电磁噪声约占总噪沖的95%,文中以750W四 相开关磁阻电机为研究对象，利用三维有限元模型研究电机定子的结构模态和频 率，主

47、要分析了绕组等效形式、端盖以及定子部件的配合形式对电机定子各阶振 型和频率的影响，并通过实验进行比较分析43o 2005华中科技孙剑波等人也对SR 电机的定子模态分析进行研究，文中主要利用三维有限元研究考虑电机散热筋对 定子固有频率的影响，文中表明轴向分布的散热筋会降低高阶固有频率，对低阶 固有频率影响较小；而周向散热筋能够提高高阶振型的固有频率，但是对低阶频 率影响不大。2007年，沈阳工业大学壬风翔等人研究大型感应电机定子振动问题， 主要研究定子冲片结构以及绕组对大型感应电机定子系统振动模态和固有频率的 影响，文中指出定子绕组的弹性模最低于铜材料，因此应对漆包线的弹性模最重 新计算；端部绕

48、组的刚度和质量对定子铁心振型和频率的影响基本可以相互抵消, 端部绕组忽略不计图】。2013年，哈尔滨工业大学代颖就空调压缩机电机噪声问题 对单相感应电机的定子模态进行研究，指出基波气隙磁密产生的噪肖，应通过提 高电机结构刚度的方式给予抑制，文中通过增加转轴直径的方式增加电机刚度。1.4本课题的研究内容永磁电机作为制冷空调压缩机的核心动力部件，电机本体的的效率与噪声问 题直接影响整机性能。本文将结合永磁电机的应用背景，圉绕其效率和噪声问题 进行研究与分析，研究工作主要包括以下内容：(1) 研丸电机铁心损耗的计算方法，分析电机铁心中磁场的变化规律。为准确 的计算铁心损耗，考虑旋转磁化和谐波磁场对电

49、机铁耗的影响，在正交分解铁耗 模型的基础上，修正其损耗系数，考虑磁密幅值对铁心损耗系数的影响，给出变 系数正交分解铁耗模型，并设计空载铁心损耗实验验证该模型的准确性。空载铁 耗分离时，机械损耗由无磁转子测试获得。基于变系数正交铁耗模型，研究电机 主磁场对电机铁心损耗的影响，并考虑实际生产工艺，提出转子外圆由三段不等 半径圆弧拼接的优化措施。该转子外圆形式能够改善气隙磁场波形，在电机转矩 系数不变时，减小电机铁心损耗。(2) 径向电磁力是引起电机振动与噪声的主要原因，以气隙磁场分析为基础, 推导永磁电机的径向电磁力，通过有限元进行验证。为方便分析和突出主要阶次 电磁力，本文忽略高次磁动势和齿谐波

50、磁导产生的高次谐波磁场，分别分析了空 载和负载时PMSM的主要阶次力波及频率特性。(3) 研丸永磁同步电机定子铁心的模态频率问题。在压缩机的应用背景下，保 证定子辘部具有相同冷媒流通面积的前提下，比较定子轨部切边形状对电机固有 频率的彫响。从而提出定子切边和回油槽结合的轨部形状设计，能够在相同冷媒 流通面积下，具有最高的定子刚度，在一定程度上能够降低噪声。通过动力学分 析，利用电磁与结构的弱耦合计算电磁振动，引入声辐射模型计算电磁噪声。比 较气隙磁场波形对电机噪声的影响，研究本文提出的转子外圆外圆由不等半径圆 弧拼接的优化措施对电机噪声的影响。电磁负荷配比直接决定电机铜耗和铁耗分布，从而决定电

51、机效率，而磁负 荷乂直接影响径向电磁力，进而影响电磁噪记，因此电机效率和噪声性能相互约 9哈尔滨工业大学工程硕七学位论文束。因此，研究电磁负荷配比和齿觇比例对损耗分布以及电机噪声的影响，兼顾 电机在两个额定转速下的效率和噪声性能，确定最佳电磁负荷配比以及齿辘比例。 研究定子杷型对电机效率和噪声的影响，优化定子槽型。完善电机结构参数，进 行样机设计和加工，完成相关实验测试。-#-哈尔滨工业大学工程硕七学位论文第2章 永磁同步电机铁心损耗与影响因素分析2.1引言对于永磁同步电机，其铁心损耗是电机的主要损耗，分析影响电机铁心损耗 的相关因素对电机效率的提高以及电机性能的提升有重要意义2】。铁心损耗计

52、算 是研究电机效率问题以及效率优化的基础，铁心损耗计算方法一直是电机行业内 的重耍研究方向。电机铁心损耗的计算主要涉及电机铁心内部的磁场分析、铁心 损耗计算模型以及铁耗系数的计算。本章在相关研究的基础上，从上述3方面对 永磁电机的铁心损耗进行分析，提出变系数正交分解铁耗模型，计算永磁电机在 空载时的铁心损耗，通过实验比较分析铁耗计算的准确性。最后，研究永磁电机 气隙磁场对电机铁耗的影响，通过对永磁电机转子形状的优化，在保持电机性能 不变的情况下，减小电机的铁心损耗。2.2永磁同步电机铁心损耗的研究分析2.2.1永磁同步电机铁心磁场的分析电机用硅钢材料的损耗数据是生产厂家在正弦驱动的交变磁场下测

53、试得到的, 未考虑鬪形旋转磁化对硅钢材料的影响。然而，在两磁化方式下硅钢材料的磁滞 损耗特性不同，如图21为实测硅钢片在两磁化方式下的磁滞损耗呦。在磁密较 低时，旋转磁化产生的磁滞损耗高于交变磁滞损耗，当磁密超过1.6T,旋转磁化 产生的磁滞损耗反而低于交变磁滞损耗。因此，在计算电机的铁心损耗时，需要 同时考虑两种磁化方式的影响。图2-1硅钢片实测交变和旋转磁滞损耗永磁同步电机中的磁化方式较为复杂，包含交变磁化和旋转磁化，磁场波形 -11 -哈尔滨工业大学工程硕七学位论文并非标准正弦波，且包含谐波成分。在铁耗计算时，不能忽略旋转磁化和谐波对 铁耗的影响。电机定子铁耗与磁场波形密切相关，因此，为

54、了能够定量计算电机 的铁心损耗，有必要研究电机铁心的磁场分布规律，确定电机铁心内部任意一点的磁密变化规律。图22 9槽6极电机模型图？3电机定子铁心取点哈尔滨工业大学工程硕七学位论文电角度（deQ在交变磁化方式下，磁密矢量大小发生变化，磁化方向不变，其磁密矢量轨 迹为一条直线；在旋转磁化作用下，磁密轨迹为圆形。以6极9槽样机为例，研 究永磁电机铁心内磁密的实际变化情况，电机模型如图22。为了方便描述磁密以 及磁密轨迹的变化规律，在电机定子铁心的取点如图23所示。利用有限元软件对电机模型进行电磁场计算，0.5个机械角度计算一次，计算一个电周期。图24给 出电机定子铁心各位置的磁密轨迹和磁密波形。

55、201510P 05& 004)5-104.5（1）定了轨部人点磁密波形及磁密轨迹哈尔滨工业大学工程硕七学位论文（2）定子齿純交界处B点磁密波形及磁密轨迹哈尔滨工业大学工程硕七学位论文-13-哈尔滨工业大学工程硕七学位论文2 0、 !5：00.5-0 515-20-15 -10 4)5 00 05 1 0 1.5 2 0径向磁密（3）定子齿部C点磁密波形及磁密轨迹B 5 B 52 110电角瞰de©-1520-2.0 -15 -10 4)5 00 05 1 0 1 5 20径向殲密E（4）定子齿顶DM：磁密波形及磁密轨迹201.510050 0054 0-15-2 -20 -

56、1 5 -1 0 -05 00 05 1 0 1 5 20径向隠密（T）（5）定子启角E点磁密波形及磁密轨迹2 01510050 00 54.04 520. -2.0 -15 4 0 4) 5 0 0 0 5 10 1.5 2 0径向磁密(T)（6）定子槽上F点磁密波形及磁密轨迹图2-4定子铁心各点磁密随时间变化波形及磁密轨迹定子铁心不同位置的磁化方式差异较大：在定子犯部A点，磁化方式主耍为-#-哈尔滨工业大学工程硕七学位论文交变磁化，切向磁密为主要分量，但受旋转磁化影响磁密轨迹呈狭窄状；在齿轨 交界处E点，切向磁密略大于径向磁密，表现为椭圆形旋转磁化；在定子齿中C 点，主要为交变磁化，旋转磁

57、化作用较小，径向磁密分量为主：在定子齿顶D点， 磁密波形畸变严重，磁密轨迹表现为椭圆形旋转磁化；定子齿部肩角E点，径向 磁密和切向磁密反相，主要为交变磁场；定子槽底上方F点基本为以切向磁密为 主的交变磁场。分析定子铁心不同位置的磁密变化规律可知：磁密的变化在齿部和觇部不完 全相同，在定子齿部磁密径向分量占主要组成，切向分量较小，定子觇部情况相 反。同时从磁密波形上，齿轨磁密都是非正弦波，含有较多的谐波成分。因此， 在电机定子铁心的损耗计算屮，不仅要考虑交变磁场和旋转磁场的影响，同时要 考虑各次谐波含量。222考虑旋转磁化的铁心损耗计算模型目前，商用有限元软件采用的铁耗模型如式(21)所示，在计算铁心损耗时其 涡流损耗项和附加