关于电机振动噪声分析你可能不了解的
PART1 问题的引入
电机噪声分析，貌似玄学，网上各路大神大展神通，让我们看到各路软件强大的后处理能力，各种图表信息扑面而来，花枝招展。。。。。。那问题来了，您收到了啥解决您电机设计的关键问题的、可实际操作验证的方法了吗？您对于这个问题的理解或解决，还只是停留在软件炫酷操作把软件当作玩具阶段，而还不能上升到实战工具的层面吗？
言归正传，既然谈到设计实战，我们在设计之初，当客户给定电机安装空间约束后，我们开始我们的电磁设计的第一问题是，外径就这么大（比如在这里假定根据客户的安装空间约束，使用内转子设计，电机定子不能超过150mm，额定转速1000rpm输出额定功率1KW），我该选啥槽极配合呢？不同的槽极配合对电机实际运行过程中的振动噪音问题影响如何？
PART2 解决问题思路形成、操作方法以及对比验证
一个直观的想法，对于要选定一个可能振动比较小噪声比较低的槽极配合方案，根据之前学过的电机绕组理论，如果我们要选择分数槽方案（整数槽简单大家都知道这里就不在重复了），可能会来自于以下几个方面的影响：
1、绕组是否足够分布
分数槽绕组的每极每相槽数q=N/D（不可约分数），N代表了绕组的分布，很多分数槽集中绕组，其实转子磁钢激发的气隙的磁通密度分布很糟糕，但因为定子测因为N足够大，也会获得比较好看低谐波含量的理想空载反电势波形。那这个因素对振动噪声的影响如何？
2、这里D影响的是分数星型槽磁势的对称性，通常D为非2的偶数，一个单元机内，会存在单边磁拉力，这个是一个直接的径向力，我们都知道振动噪声来源于电机运行过程中的径向力分布。那是不是说在设计同一电磁方案，气隙直径相当的不同槽极配合中，单边磁拉力就一定影响最大吗？
3、如果D是奇数，N都一样，槽极配合的基波周期数的影响如何？
4、不同槽极配合带来的电机本身的固有频率差异，是否可能也会带来一定影响？
综上我们暂时能考虑到的潜在影响，如何科学靠谱的评估设计同一电磁方案时，不同槽
极配合的影响呢？对于这个150mm的外径，尺寸不大，一般不会选择太多槽数，为了能比较好的评估以上影响，我们选择9槽和12槽两种槽数，选择9槽10极，12槽10极或14极。
之所以这样选择9槽10极，是因为他存在明显的单边磁拉力，但同时在三个方案中，绕组分布的影响最大（N=3），这两个因素哪个更直接，仿真验证过才知道。12槽10极或14极，绕组磁势关于原点对称，不含偶数次谐波，但没转周期数明显差异。
为了能尽可能的在一个尺度上评估，他们极数相差不大，选定固定的定子内径（实际上12槽14极本可以优化到更少的用料），相同的极弧系数来评估（影响振动噪声主要是径向力分布和齿槽转矩关系不大），基于以上的思路，我们正向设计了三个电磁方案：
PART3 满足同一要求的3种不同槽极配合的电磁方案参数
GENERAL DATA |
|||
9S10P |
12S10P |
12S14P |
|
Rated Output Power (kW): |
1 |
1 |
1 |
Rated Voltage (V): |
72 |
72 |
72 |
Number of Poles: |
10 |
10 |
14 |
Frequency (Hz): |
83.3333 |
83.3333 |
116.667 |
Rotor Position: |
Inner |
Inner |
Inner |
Type of Circuit: |
Y3 |
Y3 |
Y3 |
Operating Temperature (C): |
115 |
115 |
115 |
STATOR DATA |
|||
Number of Stator Slots: |
9 |
12 |
12 |
Outer Diameter of Stator (mm): |
150 |
150 |
150 |
Inner Diameter of Stator (mm): |
100 |
100 |
100 |
Type of Stator Slot: |
3 |
3 |
3 |
Stator Slot |
|||
hs0 (mm): |
0.6 |
0.6 |
0.6 |
hs1 (mm): |
1.2 |
1.2 |
1.2 |
hs2 (mm): |
13.5 |
13.2 |
11.6 |
bs0 (mm): |
5 |
5 |
5 |
bs1 (mm): |
24.7852 |
15.7168 |
18.4085 |
bs2 (mm): |
34.6124 |
22.7907 |
24.625 |
rs (mm): |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
Top Tooth Width (mm): |
12.1 |
11.6 |
9 |
Bottom Tooth Width (mm): |
12.1 |
11.6 |
9 |
Length of Stator Core (mm): |
77 |
75 |
77 |
Stacking Factor of Stator Core: |
0.97 |
0.97 |
0.97 |
Type of Steel: |
DW465_50 |
DW465_50 |
DW465_50 |
Designed Wedge Thickness (mm): |
1.2 |
1.2 |
1.2 |
Slot Insulation Thickness (mm): |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
Layer Insulation Thickness (mm): |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
End Length Adjustment (mm): |
6.5 |
6.5 |
6.5 |
Number of Parallel Branches: |
1 |
1 |
1 |
Number of Conductors per Slot: |
52 |
42 |
40 |
Type of Coils: |
21 |
21 |
21 |
Average Coil Pitch: |
1 |
1 |
1 |
Number of Wires per Conductor: |
5 |
5 |
5 |
Wire Diameter (mm): |
0.813 |
0.724 |
0.724 |
Wire Wrap Thickness (mm): |
0.06 |
0.06 |
0.06 |
Stator Slot Fill Factor (%): |
57.0981 |
59.9672 |
58.9526 |
Coil Half-Turn Length (mm): |
121.566 |
111.944 |
113.458 |
Wire Resistivity (ohm.mm^2/m): |
0.0217 |
0.0217 |
0.0217 |
ROTOR DATA |
|||
Minimum Air Gap (mm): |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
Inner Diameter (mm): |
75 |
80 |
80 |
Length of Rotor (mm): |
77 |
75 |
77 |
Stacking Factor of Iron Core: |
0.97 |
0.97 |
0.97 |
Type of Steel: |
DW465_50 |
DW465_50 |
DW465_50 |
Polar Arc Radius (mm): |
29.5 |
29.5 |
29.5 |
Mechanical Pole Embrace: |
0.83 |
0.83 |
0.83 |
Electrical Pole Embrace: |
0.707273 |
0.707273 |
0.758583 |
Max. Thickness of Magnet (mm): |
2.7 |
2.7 |
2.7 |
Width of Magnet (mm): |
25.1104 |
25.1104 |
17.936 |
Type of Magnet: |
NdFe35 |
NdFe35 |
NdFe35 |
PERMANENT MAGNET DATA(115C) |
|||
Residual Flux Density (Tesla): |
1.1 |
1.1 |
1.1 |
Coercive Force (kA/m): |
838 |
838 |
838 |
Maximum Energy Density (kJ/m^3): |
230.45 |
230.45 |
230.45 |
Relative Recoil Permeability: |
1.0446 |
1.0446 |
1.0446 |
Demagnetized Flux Density (Tesla): |
0 |
0 |
0 |
Recoil Residual Flux Density (Tesla): |
1.1 |
1.1 |
1.1 |
Recoil Coercive Force (kA/m): |
838 |
838 |
838 |
PS：经ANSYS MAXWELL有限元瞬态场仿真，三个不同槽极配合在额定转速输出额定功率时，经过修正后效率都刚好超过90%。
PRATS4 通过Ansys Maxwell计算额定输出时的径向电场力分布导入ANSYS WORKBENCH进行谐响应分析的结果图表数据:
结论：经过分析，可以看出，当每极每相槽数q=N/D（不可约分数）的 N为奇数，绕组对称不存在单边磁拉力的条件下，分数槽的每转周期数最大的12S14P极产生最小的电磁噪音：
文章来源：展文电机
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