永久磁石モータの振動と騒音
モーターのステーターの電磁ノイズは、主に 2 つの要因、電磁加振力と、対応する加振力によって引き起こされる構造応答および音響放射の影響を受けます。研究のレビュー。
英国シェフィールド大学のZQZhu教授らは、この解析手法を用いて、永久磁石モータのステータの電磁力とノイズ、永久磁石ブラシレスモータの電磁力の理論的研究、永久磁石の振動を研究しました。 10極9スロットのマグネットブラシレスDCモーター。騒音を研究し、電磁力と固定子の歯幅との関係を理論的に研究し、トルクリップルと振動および騒音の最適化結果との関係を解析した。 瀋陽理工大学のTang Renyuan教授とSong Zhihuan教授は、永久磁石モーターの電磁力とその高調波を研究するための完全な解析手法を提供し、永久磁石モーターのノイズ理論のさらなる研究に理論的裏付けを提供しました。正弦波と周波数変換器によって駆動される永久磁石同期モーターの周囲の電磁振動ノイズ源を分析し、エアギャップ磁場の固有周波数、垂直電磁力、振動ノイズを研究し、トルクの原因を調査します。リップルを解析します。トルク脈動は、エレメントを使用してシミュレーションおよび実験的に検証され、さまざまなスロット-ポール嵌合条件でのトルク脈動、およびトルク脈動に及ぼすエアギャップ長、ポールアーク係数、面取り角度、およびスロット幅の影響が分析されました。 。 電磁ラジアル力と接線力モデル、および対応するモードシミュレーションが実行され、電磁力と振動ノイズ応答が周波数領域で解析され、音響放射モデルが解析され、対応するシミュレーションと実験研究が実行されます。永久磁石モータのステータの主なモードが図に示されていることに注意してください。 
モータ内の主磁束はエアギャップにほぼ半径方向に入り、ステータとロータに半径方向の力を発生させ、電磁振動や騒音を引き起こします。同時に接線モーメントと軸力が発生し、接線振動と軸振動が発生します。非対称モータや単相モータなどでは、発生する接線方向の振動が非常に大きく、モータに接続されている部品の共振が発生しやすく、放射ノイズが発生する場合があります。電磁ノイズを計算し、これらのノイズを解析および制御するには、その発生源である振動やノイズを発生させる力波を知る必要があります。このため、電磁力波の解析はエアギャップ磁場の解析を通じて行われます。 固定子によって生成される磁束密度の波を と仮定すると、磁束密度の波は
ローターによって生み出されるのは、
とすると、エアギャップ内のそれらの合成磁束密度波は次のように表すことができます。
ステータとロータのスロット、巻線の分布、入力電流波形の歪み、エアギャップのパーミアンスの変動、ロータの偏心、および同じアンバランスなどの要因はすべて、機械的変形と振動を引き起こす可能性があります。空間高調波、時間高調波、スロット高調波、偏心高調波、起磁力の磁気飽和はすべて、力とトルクの高調波を生成します。特にACモータのラジアル力波はモータのステータとロータに同時に作用し、磁気回路に歪みを生じさせます。 ステーター フレームとローター ケーシングの構造は、モーター ノイズの主な放射源です。ラジアル力がステータベース系の固有振動数に近いか等しい場合、共振が発生し、モータステータ系の変形を引き起こし、振動や騒音が発生します。 ほとんどの場合、
低周波 2f、高次ラジアル力によって生じる磁歪ノイズは無視できます (f はモーターの基本周波数、p はモーターの極対の数です)。ただし、磁歪によって引き起こされるラジアル力は、エアギャップ磁場によって引き起こされるラジアル力の約 50% に達する可能性があります。 インバータによって駆動されるモータの場合、固定子巻線の電流に高次の時間高調波が存在するため、時間高調波によって追加の脈動トルクが生成されますが、この脈動トルクは通常、空間高調波によって生成される脈動トルクよりも大きくなります。大きい。また、整流部で発生した電圧リップルも中間回路を介してインバータに伝達され、脈動トルクが発生します。 永久磁石同期モータの電磁ノイズに関しては、マクスウェル力と磁歪力がモータの振動や騒音の主な原因となります。
モーターの電磁ノイズは、エアギャップ磁場によって生成される電磁力波の周波数、次数、振幅に関係するだけでなく、モーター構造の固有モードにも関係します。電磁ノイズは主にモータのステータやケーシングの振動によって発生します。したがって、ステータの固有振動数を理論式やシミュレーションによって事前に予測し、電磁力周波数とステータの固有振動数をずらすことが電磁ノイズを低減する有効な手段となります。 モータのラジアル力波の周波数がステータのある次数の固有振動数と等しいか近い場合、共振が発生します。このとき、ラジアル力波の振幅は大きくなくても、ステータに大きな振動を引き起こし、大きな電磁ノイズが発生する。モータ騒音の場合、最も重要なことは、図に示すように、軸方向の振動を主とし、軸方向の次数がゼロで、空間モードの形状が 6 次以下である固有モードを研究することです。 
ステータの振動形態
モーターの振動特性を解析する場合、モーターステーターのモード形状と周波数に対する減衰の影響は限られているため、無視できます。構造減衰は、図に示すように、高エネルギー散逸メカニズムを適用することによって共振周波数付近の振動レベルを低減することであり、共振周波数または共振周波数付近でのみ考慮されます。 
ダンピング効果
固定子に巻線を追加した後、鉄心スロット内の巻線の表面はワニスで処理され、絶縁紙、ワニス、銅線が互いに貼り付けられ、スロット内の絶縁紙もティースに密着します鉄芯の。したがって、スロット内巻線は鉄心に一定の剛性を与えており、追加の質量として扱うことはできません。有限要素法を用いて解析を行う場合、コギングの巻線の材質に応じてさまざまな機械的性質を特徴付けるパラメータを求める必要があります。プロセスの実装中、浸漬塗料の品質を確保し、コイル巻線の張力を高め、巻線と鉄心の気密性を向上させ、モーター構造の剛性を高め、固有振動数を増加させて回避するように努めます。共振を抑え、振動振幅を低減し、電磁波を低減します。ノイズ。 ケーシングに圧入された後のステータの固有振動数は、ステータコア単体の固有振動数とは異なります。ケーシングは、ステータ構造の固体周波数、特に低次の固体周波数を大幅に向上させることができます。回転速度の動作点が増加すると、モーター設計における共振を回避することが難しくなります。モーターを設計する際には、シェル構造の複雑さを最小限に抑える必要があり、共振の発生を避けるためにシェルの厚さを適切に厚くすることでモーター構造の固有振動数を高めることができます。さらに、有限要素推定を使用する場合、ステータコアとケーシングの間の接触関係を合理的に設定することが非常に重要です。
モーターの電磁設計の重要な指標として、磁気密度は通常モーターの動作状態を反映します。したがって、最初に磁気密度値を抽出して確認し、1 つ目はシミュレーションの精度を検証すること、2 つ目はその後の電磁力抽出の基礎を提供することです。抽出したモーター磁束密度雲図を次の図に示します。 
雲マップから、磁気絶縁ブリッジの位置の磁密度はステーターとローターコアのBH曲線の変曲点よりもはるかに高く、より優れた磁気絶縁効果を発揮できることがわかります。 
モータのエアギャップと歯の位置の磁密度を抽出し、曲線を描くと、モータのエアギャップ磁密度と歯の磁密度の具体的な値がわかります。歯の磁密度は材料の変曲点から一定の距離にありますが、これはモータを高速設計した場合の鉄損が大きいことが原因と考えられます。
モータ構造モデルとグリッドに基づいて材料を定義し、ステータコアを構造用鋼、ケーシングをアルミ材料として定義し、モータ全体のモーダル解析を行います。モータ全体のモードは下図のように得られます。 
モーターの高調波応答を解析し、さまざまな速度での振動加速度の結果を次の図に示します。 
投稿日時: 2022 年 6 月 13 日