唐劍飛 王林

(中國艦船研究設(shè)計中心軍事代表室，武漢 430064)

0 引言

相比普通三相電機，多相電機具有噪聲小、能缺相運行等優(yōu)點。但隨著相數(shù)增多，電機的電磁場的有限元分析變得越發(fā)復(fù)雜。有限元法能較好地解決電磁場計算中的通用性與精確性的問題。通過設(shè)定電機的模型、材料屬性、激勵、初始狀態(tài)等條件后，可以通過有限元方法計算出該電機任意時刻的運行參數(shù)，進(jìn)而分析電機的噪聲情況。由于所研究異步電機無通風(fēng)道設(shè)計，使用二維（2D）有限元已經(jīng)可以滿足計算精度，故文中所涉及的異步電機的仿真是利用Ansoft軟件[1]中的Maxwell 2D求解的。

1 空載條件下的電機電磁場分析

以某型雙Y移30°六相電機為例，仿真時其外電路設(shè)置如圖1所示。

通過處理穩(wěn)定運行時電機電磁場，得到氣隙磁密徑向分量如圖2所示。

圖1 外電路設(shè)置

通過仿真可以得到某型樣機在繞成3相或6相，在不同短距比條件下空載氣隙磁場的徑向分量頻譜，如圖3至圖6所示。

對比圖3至圖6可以看出，在定子結(jié)構(gòu)相同，相數(shù)不同或節(jié)距不同時，諧波的主要成分相同。在三相電機的氣隙磁密中含有明顯的 5、7次等6k±1次諧波，而六相電機的氣隙磁密中則含有明顯的11與13次等12k±1次諧波。當(dāng)短距比不同時，電機對應(yīng)諧波的幅值不同。在所給出的四種短距比中，短距比為5/6對應(yīng)的三相電機的5、7次諧波幅值最小，而短距比為 11/12對應(yīng)的六相電機氣隙磁場中的11與13次諧波幅值最小。通過對氣隙磁場進(jìn)行計算[2]，可以得到樣機在不同條件下氣隙磁密頻譜與定子鐵芯所受徑向力頻譜，見圖7、圖8。對比圖7與圖8可以看出，在定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)采用近槽設(shè)計后氣隙電磁場以及徑向力波的構(gòu)成無明顯變化。

圖2 氣隙磁密的徑向分量

圖3 短距比為3/4時磁密頻譜（a為三相，b為六相）

圖4 短距比為5/6時磁密頻譜（a為三相，b為六相）

圖5 短距比為11/12時磁密頻譜（a為三相，b為六相）

圖6 短距比為1時磁密頻譜（a為三相，b為六相）

圖7 轉(zhuǎn)子槽數(shù)為45時氣隙磁密頻譜與定子鐵芯所受徑向力頻譜

圖8 轉(zhuǎn)子槽數(shù)為47時氣隙磁密頻譜與定子鐵芯所受徑向力頻譜

所受徑向力頻譜，在對不同條件下頻譜圖進(jìn)行分析后可以得到與磁場分析大體相同的結(jié)論。因此，從減小諧波含量以減小電機噪聲的角度考慮，當(dāng)電機繞成三相時，短距比應(yīng)取為 5/6，而電機繞成六相時，短距比應(yīng)取為11/12。

利用相同方法得到定子繞組繞成六相、轉(zhuǎn)子槽數(shù)為 45和47、短距比為 11/12時氣隙磁密徑向分量頻譜與定子鐵芯所受徑向力及對應(yīng)頻譜如圖7與圖8。

2 負(fù)載對電機定子鐵心所受力波的影響

當(dāng)異步電機由空載過度到負(fù)載運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化不大，但隨著負(fù)載的變化，轉(zhuǎn)子電流會發(fā)生較大變化，從而引起氣隙磁場變化[3]，最后導(dǎo)致電機噪聲相與空載時存在較大差別。另一方面，轉(zhuǎn)子電流增加會使作用在定子上的作用力變大，導(dǎo)致定子振動位移加大，進(jìn)而增加電機噪聲[4]。圖9為樣機繞制成六相、短距比為 5/6時，不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩條件下通過Ansoft分析得到的電機定子鐵芯所受徑向力頻譜。其中 a、b、c、d分別對應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0 N·m（空載）、20 N·m、40 N·m與54.2 N·m（滿載）條件下的仿真結(jié)果。

圖9 不同負(fù)載條件下定子鐵心所受徑向力頻譜

通過對比可以看出，隨著負(fù)載的增加，電機鐵心受到的各次徑向力幅值出現(xiàn)了不同程度的增長，因此負(fù)載條件下，電機所發(fā)出的電磁噪聲將會高于空載下的噪聲值。正常工作的電動機都是帶載運行的，有必要研究電機的負(fù)載噪聲抑制方法。

3 結(jié)束語

本文利用 Asoft軟件，對不同短距系數(shù)與不同轉(zhuǎn)子槽數(shù)條件下的空載及負(fù)載時的電機運行情況進(jìn)行了仿真。利用仿真得到的電磁場數(shù)據(jù)計算了不同條件下氣隙磁密徑向分量頻譜與定子所受徑向力頻譜，并對各頻譜的構(gòu)成進(jìn)行了分析。

對比得出了為減小氣隙磁場的諧波含量，三相電機的短距比應(yīng)選擇 5/6，而六相電機的短距比應(yīng)選擇 11/12的結(jié)論。根據(jù)電磁場數(shù)據(jù)計算出了不同條件下氣隙磁場的徑向分量頻譜與定子所受徑向力頻譜，并對各頻譜的構(gòu)成進(jìn)行了分析。通過分析空載與不同負(fù)載條件下的電機磁場數(shù)據(jù)，得出了負(fù)載會增加氣隙磁場徑向分量及定子鐵芯所受電磁力中所含的諧波的幅值，進(jìn)而會增加電機噪聲。

[1]劉國強, 趙凌志, 蔣繼婭. Ansoft工程電磁場有限元分析[M]. 北京, 電子工業(yè)出版社, 2005: 92-97.

[2]陳永校, 諸自強, 應(yīng)善成. 電機噪聲的分析和控制[J]. 山東科技大學(xué)學(xué)報, 2000, 19(3): 80-82.

[3]王益紅. 異步電動機的負(fù)載噪聲分析[J]. 山東科技大學(xué)學(xué)報, 2000, 19(3)：80-82.

[4]祝長生, 陳永校. 變頻器供電的三相異步電機的噪聲特性[J]. 中小型電機, 1997, 24(5): 9-12.