永磁同步电动机的噪声和齿槽转矩优化设计

2019年

JOURNALOFSHANGHAIDIANJIUNIVERSITY

上海电机学院学报

Vol.22No.2

2019

()文章编号 2095-0020201902-0068-05

永磁同步电动机的噪声和齿槽转矩优化设计

金永星, 王爱元, 孙 健, 王 涛

()上海电机学院电气学院,上海201306

如气隙长度、槽口宽度、极弧系数、偏心距进行优化设计,以达到降低永磁同步电动机噪声和齿槽转

摘 要 以永磁同步电动机为研究对象,在额定功率的情况下,利用田口法对电动机相关参数,

矩的优化目标。根据优化参数的个数和各个参数的水平数建立田口正交表,利用有限元进行仿真分析,得出优化的最佳方案。研究表明:优化后电动机的齿槽转矩降低了5噪声降低了1验证0%,0%,了该方法在永磁同步电动机设计中的有效性和合理性。

关键词 永磁同步电动机;噪声;齿槽转矩;田口法中图分类号 TM343.2

文献标志码 A

Otimaldesinforpermanentmanetsnchronousmotorofpggy

noiseandcointoruegggq

JINYonxin WANGAiuan, SUNJian, WANGTaogg,y(,,,)SchoolofElectricalEnineerinShanhaiDianiUniversitShanhai201306Chinagggjyg

fortheinteriorpermanentmanetsnchronousmotorareotimizedtogetthelowernoiseandgyp

,Abstract BheTauchimethodwithafiniteelementsoftwaretherelevantparametersofytg

,,,theairgalenththeslotwidththeolararccoefficientandtheeccentricdistanceinaninteriorpgp

coinorueundertheconditionofratedpower.Theexerimentinrthoonaltableisgggtqpgog

,aestablishedaccordinothenumbersoftheotimizationvariablesandtheirlevelsndfinitegtp,elementsimulationsaretakenfortheorthoonaltable.Thesimulationresultsareanalzedandgy

thebestotimizationschemeisobtained.Afterthefiniteelementanalsisofthebestotimizationpyp

,schemethecointorueofthemotorisreducedb50%,andthenoiseisreducedb10%.ThegggqyyotimizinesultsveriftheeffectivenessandvaliditftheTauchimethodfortheotimaldesinpgryyogpg

ofthepermanentmanetsnchronousmotor.gy

;;;Keords permanentmanetsnchronousmotornoisecointoruetauchimethodgygggqgyw

收稿日期:2018-07-20

—),:作者简介:金永星(男,硕士生,主要研究方向为电机设计与优化,1993E-mail1744783059@.comqq—),:指导教师:王爱元(男,教授,博士,主要研究方向为电动机节能,1968E-mail2318492095@.comqq

2019年第2期

金永星,等:永磁同步电动机的噪声和齿槽转矩优化设计

69

具 永磁同步电动机是一种节能高效的电动机,有较高的功率密度、效率及运行稳定可靠等优

]1

。永磁体磁场与有槽电枢铁心在气隙中相互点[

出的把正交表和信噪比技术结合起来,通过挑选实验条件并对实验进行局部优化,实现永磁同步电动机整体优化设计的方法。实验结果再现性高,能够利用较少的实验次数,获得优化参数的最优组合。

表1 电动机主要参数

参数

/定子外半径mm4极24槽数值

1188极9槽数值

103作用产生齿槽转矩,同时产生振动和噪声。然而电动机的噪声水平已被列为衡量质量的一项重要指标,是影响其在市场上竞争的一个重要因素

[]2

在高性能的永磁同步电动机设计过程中,应尽量削弱齿槽转矩,降低电动机的振动与噪声。文献

。

[明了齿槽转矩的大小受槽口宽度3

]通过对永磁同步电动机齿槽转矩的解析计算、气隙宽度因素的,证影响。文献[计方法,依据气隙磁通密度与偏心距的数学关系表4]提出了一种新颖的偏心磁极优化设达式,设计出最优偏心距。该方法计算繁琐并且耗时。文献[不同永磁体的新型转子结构用于减小电动机的齿槽5]提出一种在永磁同步电动机轴向组合[转矩,但该方法工序繁杂,不利于工业生产。文献6]分析了极弧系数对电动机噪声的影响。文献[7-响]研究永磁电动机定子槽口宽度对电磁噪声的影,提出减小槽口宽度可以削弱电磁力,并进而削弱电动机的电磁噪声。上述研究虽然能达到研究目的,但都是进行单一参数的研究,没有考虑电动机其他的性能指标,会导致其他主要性能不符合设计要求,并且只对一台电动机进行了研究,不具有普遍性。本文分别以4极24槽、8极9槽永磁同步电动机为例,在保证额定功率的前提下,以齿槽转矩和电动机噪声最小为两个优化目标,对影响电动机齿槽转矩和噪声的气隙长度、极弧系数、偏心距和槽口宽度参数进行优化设计。将最佳优化方案用于永磁同步电动机模型中,进行有限元齿槽转矩和噪声分析。 永磁同步电动机主要参数及结构模型

本文的研究对象是贴式永磁同步电动机,其中4极424槽和极24槽和8极9槽的表

电动机的主要参数如表参数进行田口法优化,然后进行齿槽转矩和噪声的1所示。对两电动机相关8极9槽有限元软件仿真分析。

基于田口法的永磁同步电动机优化设计

.1 田口正交试验设计

田口法是日本质量控制专家田口玄一[9-11

]提

偏心距/槽口宽度m/mmm

33.03电枢铁心长度/转子外半径/mm9.52.0磁钢材料mm704

6.N36053

极弧系数N3气隙长度/05.S6

H05永磁体厚度m/mmm

04..6550.SH.74

6 田口法具体实施步骤如下:

((1

(2)确定需要优化的参数及优化目标;3

)确定优化参数的水平及其水平数;)建立正交表,并对表中每组参数进行有限元仿真分析;

参数组合并进行仿真验证(4

)对有限元分析结果进行处理,确定最优的。

由于气隙长度δ偏心距h的数值对永磁电动机的齿槽转矩影响较、槽口宽度b0、极弧系数ap

、大,为了降低电动机的齿槽转矩和噪声,选取气隙长度、槽口宽度、极弧系数、偏心距这优化,这些参数的变化影响优化目标齿槽转矩峰值

4个参数进行。本文优化参数所取水平数为的使优化精度更高cog和噪声P。永磁同步电动机优化参数及

5,目影响因子水平表如表2所示。

表2 优化参数水平取值表

水平δ/mmb0

/mmaph/mm1200.334.0240.5.50.0.56502.05

0.70..

5.055..05

0.3.50.6.75705

3.4.0.50

8

T12270

上 海 电 机 学 院 学 报

的平均值。计算公式为

2019年第2期

按照表2中的优化参数水平进行有限元仿真,若以传统的电动机设计方法,总共需要有限元计算

4

完成全部试验需要耗费大量的时间和5=625次,

需计算各个优化参数在每个水平下各个优化目标/)MP(hP1+P9+P15(1=(1)2+P20+P23)

式中:为优化目标电动机噪声在偏心距水MP(h1)

精力;利用田口法只需进行2极大5次有限元计算,地缩短了设计周期,提高了电动机设计效率。按照优化参数水平数,设计田口法正交表并进行有限元仿真,有限元仿真结果如表3所示。

平1下的平均值;P1、P9、P1P2P22、0、3分别为第

、、、、19122023次仿真中电动机噪声的数值。

各个优化参数在每个水平下各个优化目标平表3 田口正交表及有限元分析结果

实验实验矩阵

T次数δ/mmb0/mmaph/mm(Nc·og

m/)PdB/(NT·/m)1211311212412322.2.7555.63.6151343614541.2725251.5092406650.83.584..1533..6608212332.441.31.4845.03.5292315482..003.5319

223550..59685434..6363..744

210241111135321.83.61

1231450.1332510.6584575546.8.83.51.0033..56851433122.1534231.515441.096343.03.6285458..7433.681741521.5846.03..67001842132.2943240.70615532.03.392044350.56..0633..2155511.22511450.90545.03.657123521.245535

4215

34

23

0.8154434755.8.33.57.0833..46271..801344..0233..6605

.2 数值分析

首先对表优化目标有限元仿真结果的平均值分别为齿槽转矩

3中的优化目标进行平均值处理,25次.506为了分析各优化参数与优化目标之间的关系N·m、噪声50.296dB、输出转矩3.591N·m。,均值如表4所示。

表4 优化参数在各个水平下对应的优化目标平均值

参数水平Tcog

/(N·m)P/dBT/(N·m)δ/mm

12231.52.44

1.16550.60

50.8

33.601.1.252

483.b51.32

49.6

3.56633.580

/mm121.31.071.84.08

362

52.58

3.3.558424

46.96

1.3.9536

53.62

3.55a11.7

49.88

3.5624p

21.

482..688

1.79

592

3.31.43

47.2

3.5574

1.34

51.22

3.6713.h/mm

5111..4114

53.660220

6

406..256

8

1.45403.357.5.3.74

1.95

2

3.5611413.605

1..526

0

44..72

24

4

3.3.5.67533

根据优化目标平均值和表4中各个参数在不同水平下所对应某一优化目标平均值,通过方差的获得,可研究每个优化参数的改变对优化目标影响所占的比重,如表方差的计算公式为

5所示。

SA=15􀰐5

j=1

(mA(j)-m)2

(2)式中:A为优化参数;SA为某优化参数在某一优化目标下的方差;mA(j)为参数A在水平

j下某一21 2019年第2期

金永星,等:永磁同步电动机的噪声和齿槽转矩优化设计

71

表5 优化参数对优化目标影响所占比重 参数

Tcog/(N·m)P/dBT/(N·m)

值

占比

值

占比

值

占比

δ0.14038.561.05.725.61×10-3

ba00hp

0.0.0.0807268232211.599.25241.351.93×10-353.92-318.387..439556..2824352330..354911..6252××1100-311

51..9737优化目标的平均值;m为优化目标总的平均值。

最小、2、根据表5;、4可以得出,当δ取水平、b0、a取水平1时齿槽转矩最小;3、4、4、1时输出转矩最大4、p2、h、2,、分别取水平2时噪声值

且均在额定转矩之上。结合表,δ对输出转矩所占的比重最大5优化参数对优化目标影响所占的比重可知,

输出转矩最大对应的水平最大,故选择噪声最低b选择噪声最低所对应的水平0所对应的水平3,故选择b0对噪声所占的比重2,同理ap应的水平极24槽电动机的处理步骤对2,以此确定最佳优化方案5,h选择噪声最低所对

8极。然后按照对4

优化,获得最佳优化组合为:气隙长度9槽电动机进行

宽度3.4mm,极弧系数0.8,偏心距4.05m.8mmm。

,

槽口 有限元仿真验证

.1 齿槽转矩分析

将最佳优化组合参数代入中并进行有限元仿真分析,由于电动机槽数不同Ansys电动机模型,选取一个齿槽转矩周期的数据,统一设置为1°/电动机转子的转速在永磁体表面和定子内径的气隙网格剖分时应注s

,为了获得更加准确的齿槽转矩,意分层,并且槽口的网格节点至少为5个。优化前、后齿槽转矩对比如图.2 永磁同步电动机振动与噪声分析

1所示。

永磁同步电动机噪声的计算涉及电磁场、声场和谐响应之间的耦合。将优化后的参数代入到

面径nsy

s向M磁ax拉wel力l,,利用该电动机模型将其作为激励源,计算定子内表耦合到M然后将谐响应分析结果作为激励源耦合到echanical中进行该电动机三维定子谐响应分析Ansys,

MechanicalACT中进行三维声场分析[1

2-14

]

。A优化nsy

s前、后的声压级对比曲线如图2所示。

图1 电动机优化前、后齿槽转矩对比

图2 优化前、后电动机声压级的仿真对比

5333A72

上 海 电 机 学 院 学 报

,():2010302179-85.

2019年第2期

优化后为451dB,7dB;4极24槽电动机优化前为

—优化后为4根据新版G54dB,9dB,B10069.3

后声压级的对比可知, 由图2电动机优化前、

在6kHz处8极9槽电动机的声压级优化前为

[孙宁,陈丽香.利用定子槽口宽度削弱永磁7] 王晓宇,

():,1073-76133.

],电机电磁噪声研究[电机与控制应用,J.201845

《旋转电动机噪声测定方法及第3部分:2008

噪声》的介绍,该规格电动机噪声值应在

[8] ISLAMR,HUSAINI.Analticalmodelfory

4 结 语

该优化的噪声值符合相关规定。50dB左右,

[刘伟民,郭昊昊.基于田口法的永磁同步推9] 刘彦呈,

,,():Industrlications20104662346-2354.yApp

redictinoiseandvibrationinpermanent-manetpgng

snchronousmotors[J].IEEETransactionsony

本文利用田口法对影响齿槽转矩和噪声的相关因素气隙长度、槽口宽度、极弧系数、偏心距进行优化,获得最佳优化组合。有限元仿真结果表明:该方法在保证额定功率下能够有效地削弱齿槽转矩,降低电动机电磁噪声;能够简单有效地降低永磁同步电动机的噪声和齿槽转矩,对永磁同步电动机的设计具有一定的指导作用。

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Istnetemr-s