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永磁電機(jī)因具有高效率、高功率密度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如艦艇、電動(dòng)汽車、高端家用電器等領(lǐng)域，振動(dòng)噪聲是高性能永磁電機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)，日益受到關(guān)注。

電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)電機(jī)系）的研究人員洪劍鋒、王善銘、孫宇光、孫旭東、曹海翔，在2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，探究了永磁電機(jī)在空載和負(fù)載工況下高模數(shù)電磁力波對(duì)電機(jī)電磁振動(dòng)的影響規(guī)律，為永磁電機(jī)電磁振動(dòng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和減振提供思路。

圖1 永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

他們首先通過(guò)麥克斯韋應(yīng)力張量法推導(dǎo)了電機(jī)電磁力波的幅值、頻率和模數(shù)特征。其次闡述了引起永磁電機(jī)低階電磁振動(dòng)源的高模數(shù)和低模數(shù)電磁力波特點(diǎn)并探討了齒寬對(duì)兩種電磁力的影響。然后計(jì)算和詳細(xì)對(duì)比了電機(jī)空載和負(fù)載工況下兩種電磁力波對(duì)低階電磁振動(dòng)的貢獻(xiàn)，并用模態(tài)疊加法仿真電機(jī)的振動(dòng)，對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證。最后在一臺(tái)10極12槽永磁電機(jī)上進(jìn)行空載電磁振動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖2 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

他們發(fā)現(xiàn)，高階電磁力波能引起低階電磁振動(dòng)。例如：在10極12槽分?jǐn)?shù)槽永磁電機(jī)中，模數(shù)10電磁力波也能引起2階電磁振動(dòng)。在6極36槽整數(shù)槽永磁電機(jī)中，模數(shù)36電磁力波能引起0階電磁振動(dòng)。

解析和仿真結(jié)果表明，在分?jǐn)?shù)槽永磁電機(jī)中，高模數(shù)電磁力波對(duì)低階電磁振動(dòng)的貢獻(xiàn)與齒寬和負(fù)載程度有關(guān)。隨著齒寬和負(fù)載增加，高模數(shù)電磁力波引起的低階電磁振動(dòng)占比逐漸減小。在負(fù)載增加時(shí)，電機(jī)低模數(shù)力波逐漸占主導(dǎo)作用，是電機(jī)低階電磁振動(dòng)的主源。在多極數(shù)的整數(shù)槽電機(jī)中，槽數(shù)模數(shù)電磁力波是0階電磁振動(dòng)的主源，其貢獻(xiàn)與負(fù)載程度無(wú)關(guān)。

研究人員指出，永磁電機(jī)中高模數(shù)電磁力波主要是由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的，且其貢獻(xiàn)與齒結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此在電機(jī)減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可從永磁體結(jié)構(gòu)和定子齒結(jié)構(gòu)入手展開優(yōu)化工作。他們表示，采用齒斬波效應(yīng)研究定子開齒對(duì)電機(jī)電磁振動(dòng)特性的影響，不僅有利于從本質(zhì)上認(rèn)清低階電磁振動(dòng)源，還能為開齒永磁電機(jī)電磁振動(dòng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和減振提供思路。

本文編自2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“高模數(shù)電磁力對(duì)永磁電機(jī)電磁振動(dòng)影響”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。