永磁同步电动机径向电磁力的分析研究

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永磁同步电动机的研究及输出特性分析

永磁同步电动机的研究及输出特性分析永磁同步电动机是一种新型电机，它将现代电子技术、电机技术和材料技术相结合，具有高效、高功能、小体积、轻质量、低噪音、无电磁干扰等特点，目前已成为应用于电动车、电机车、电动自行车、风力发电、太阳能光伏发电等领域最受欢迎的电机之一。

而永磁同步电动机的性能也是使用者关注的重点。

以下文章将从永磁同步电动机的研究和输出特性分析两个方面来探讨这个话题。

一、永磁同步电动机的研究（一）磁路分析永磁同步电动机的磁路是它的核心。

永磁同步电机的磁路是由永磁体、定子铁心、转子铁心共同组成的。

电机的磁路有两种方式，即饱和磁路和线性磁路。

饱和磁路是电流越大磁势越大，磁阻越小，导致磁通量增长趋于平缓的情况。

而线性磁路则是不受其它因素影响的磁通量变化。

在永磁同步电动机中，饱和磁路与线性磁路并存。

在电机工作的过程中，由于更换相序以及磁路的磁滞和饱和等现象，平衡条件不能被满足。

（二）电磁分析永磁同步电动机的电磁分析是实现高效、高性能的关键。

在永磁同步电机中，电磁部分的建模是一项非常重要的工作。

为了实现对电机的性能进行可靠预测，必须建立起一组有关电机的方程模型，包括电磁、热力学、建模以及计算分析等方面。

对于实际工程问题，这些模型可以通过ANSYS Maxwell和Fluent来实现。

此外，为了让永磁同步电机具备高性能和高效能，选择合适的永磁体及适当的电机参数值是非常重要的。

（三）控制策略在永磁同步电动机中，控制策略是让电机实现高效性和高性能的关键。

电机的控制主要分为转速控制和转矩控制两种方式。

对于永磁同步电机，常见的控制方式有矢量控制和直接转矩控制等方式。

其中矢量控制通过改变电机的电路和电机参数控制电机工作状态，是一种更为高级的控制方式。

而直接转矩控制方式则直接控制电机转矩大小，更适合于一些实时控制。

二、永磁同步电动机的输出特性分析（一）输出特性介绍输出特性是永磁同步电机的一个重要性能指标。

它仅通过设计选择参量来实现，在工作中无法改变，所以它是永磁同步电机的固有品质。

径向充磁圆筒永磁直线同步电机磁场分析

Abstract: Based o n scalar quant it y m ag net o f t ubular reference f ram e w ith separat ed variables, an analy tic magnet ic f ield calculat ion m et hod w as int roduced, w hich is a w ay t o w ork on the t ubular permanent magnet linear synchro nous mo to r w it h radial magnet. A n elabor at e academic analy sis t o magnet ic field dist r-i bution of non- slo tt ed mo to r w as conduct ed, t he result of which show s t he ax ial and radial slot magnetic dist ribut ions. T o t he slot ted mo to rs, Carter coef ficient w as int roduced and am endat ory expressions o f t he analyt ic result were show n, meanw hile t he thrust f orce of t he mo to r w as calculated analyt ically . T hen, f-i nit e element analyt ic method w as used to t estif y t he calculat ion of t he mag net and t he f orce. It can be concluded t hat t her e is alm ost no diff er ence bet w een t he erro r result s o f t he above t w o met hods. So it is accur at e and pr act ical t o calculat e t he mag net ic f ield using t he met hod based o n scalar quant it y m ag net of t ubular reference f rame w it h separat ed v ar iables, as w ell as t he t hrust f orce. Key words: radial m ag net ized; t ubular perm anent m ag net linear sy nchronous mo to r; scalar quant ity magnet of t ubular ref er ence f rame; separat ed v ar iables m et hod; f init e element

永磁同步电动机径向电磁力的分析研究

( , t ) 0 l

(4)
1
其中 F ( , t ) 、 F ( , t ) 、 f 0 ( , t ) 分别为转子永磁体谐波磁动势、定子谐波磁动势、定子基波磁动势。

0 ：定子基波电流频率，：定子谐波极对数，：转子谐波极对数， 0 为单位面积气隙磁导的不变部

p
1)0t ]
(6)
式（6）中定子谐波产生的力波、转子谐波产生的力波次数高，可以忽略掉。而定子基波和转子谐波作用产生的低次力波，会使铁芯弯曲变形时相邻两节点间的距离增大，变形也增大，所引起的振动和噪声也增大。因此，该部分是径向电磁力的主要部分，对于电机振动和噪声的影响不可忽略。 1.2 永磁同步电动机定子磁场的谐波分析 1.2.1 整数槽永磁同步电动机气隙磁场谐波极对数
nN=1500r/min，额定频率 fN =100Hz，IN=22.7A。图 1、2、3 分别表示 24 槽、36 槽、48 槽永磁同步电动机二维仿真模型。本文的基波为波长等于电枢周长 2pτ （τ 为极距）的 2 极波，即 p 次波，而其余各次谐波次数也相应在原来基础上乘上极对数 p。
图 1 24 槽模型
谐波幅值/T 36槽 0.2009 0.0066 0.0098 0.0086 0.0038 0.0569
气隙磁场正弦畸变率（%）
25 20 15 10 5 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26
48槽 0.1999 0 0 0.0041 0.0035 0
24槽 36槽 48槽
0.1963 0 0 0.0633 0.0389 0
2p ，定子绕组谐波磁场的极对数为： v (3k 1)t ；当 d 为奇数时，单元电机数 d

永磁同步电机径向力波产生机理

永磁同步电机径向力波产生机理永磁同步电机是一种常用的电动机，在很多领域广泛应用。

它具有高效率、高功率密度和良好的动态响应等优点，因此备受青睐。

永磁同步电机的工作原理是通过转子上的永磁体与定子上的电磁线圈之间的相互作用产生力波，从而实现电能转换为机械能。

永磁同步电机的转子上装有一组永磁体，这些永磁体通常是由稀土磁体制成，具有较高的磁能积和矫顽力。

定子上则绕制有一组电磁线圈，通过外界电源提供的电流产生磁场。

当定子线圈通电时，会在定子上产生一个旋转磁场。

这个旋转磁场与转子上的永磁体之间会产生磁场的相互作用，从而产生力波。

具体来说，当定子线圈通电时，会在定子上产生一个旋转磁场。

这个旋转磁场的磁通量会不断改变，因为磁通量的改变会导致转子上的永磁体受到磁力的作用。

根据洛伦兹力定律，磁场和电流之间的相互作用会产生力的作用。

在永磁同步电机中，这个力的作用是径向的，即与转子轴向垂直。

转子上的永磁体受到力的作用后，会受到一个径向的加速度，从而开始运动。

由于转子上的永磁体是通过磁力固定在转子上的，因此它们会随着转子一起旋转。

当转子旋转时，永磁体会不断地与定子上的磁场相互作用，从而产生连续不断的力波。

这些力波会推动转子继续旋转，实现电能转换为机械能。

需要注意的是，永磁同步电机的力波产生机理与电机的设计和控制有关。

通过合理设计电机的结构和参数，可以使得力波的产生更加稳定和高效。

同时，通过精确控制电机的电流和转速，可以进一步提高电机的性能和效率。

永磁同步电机的径向力波产生机理是通过转子上的永磁体与定子上的电磁线圈之间的相互作用产生的。

这种相互作用会在转子上产生一个径向的力，从而推动转子旋转，实现电能转换为机械能。

通过合理设计和控制，可以提高电机的性能和效率，进一步推动永磁同步电机的广泛应用。

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析1 引言与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。

随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。

变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。

这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。

本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。

2 调速永磁同步电动机的电磁设计2.1 额定数据和技术要求调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。

通过改变电机的各个参数来提高永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ϕ、起动转矩stT 和最大转矩max T 。

本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下：额定数据数值额定功率N 30kw P = 相数=3m 额定线电压N1=380V U 额定频率=50Hz f 极对数=3p 额定效率N =0.94η 额定功率因数N cos =0.95ϕ 绝缘等级 B 级计算额定数据：(1) 额定相电压：N N13220V U U ==(2) 额定相电流：3N N N N N1050.9A cos P I mU ηϕ⨯== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p= (4) 额定转矩：3N N 19.5510286.5N m P T n ⨯== 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式估算得到：2i11P D L C n '= N N N cos E K P P ηϕ'=， 6.1p Nm dp C K K AB δα=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。

精密运动平台用永磁直线同步电机的磁场分析与电磁力研究

精密运动平台用永磁直线同步电机的磁场分析与电磁力研究1. 本文概述永磁直线同步电机（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor，PMLSM）因其推力密度高、响应速度快、可靠性好、效率高、可控性好和精度高等显著优点，被广泛应用于精密运动平台中，以实现高速长行程运动和微米级、亚微米级的定位精度。

由于初级铁心纵向开断，直线电机存在特有的纵向端部效应，同时受到齿槽效应、横向端部效应和外悬效应等因素的影响，气隙磁场发生了很大的畸变。

由于现有加工制造、安装精度及人为等因素的限制，永磁直线同步电机的三维空间磁场分布存在非对称性，从而产生了寄生力或力矩，导致电机系统产生振动和噪音。

本文旨在对精密运动平台用永磁直线同步电机的磁场进行分析，并研究其电磁力特性，以期为提高电机性能和系统稳定性提供理论依据和技术支持。

2. 永磁直线同步电机的基本原理永磁直线同步电机（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, PMLSM）是一种将电能直接转换为直线运动的电机，广泛应用于精密运动平台、半导体制造、光学设备等领域。

其基本原理基于电磁感应定律和洛伦兹力定律。

根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中运动或磁场变化时，导体内将产生感应电动势。

在PMLSM中，定子绕组通电后产生交变磁场，此交变磁场与永磁体产生的磁场相互作用，导致在定子和动子之间产生电磁力，推动动子做直线运动。

洛伦兹力定律描述了载流导体在磁场中受到的力。

在PMLSM中，当定子绕组通电时，电流在定子线圈中流动，产生磁场。

这个磁场与永磁体产生的磁场相互作用，根据洛伦兹力定律，产生垂直于电流方向和磁场方向的力，这个力就是推动动子做直线运动的电磁力。

PMLSM通常由定子和动子两部分组成。

定子固定在机架上，由绕组和铁心组成，绕组通电后产生交变磁场。

动子则由永磁体和铁心构成，其上装有运动平台。

当定子绕组通电时，产生的交变磁场与永磁体磁场相互作用，产生电磁力，推动动子做直线运动。

车用永磁同步电机径向力波灵敏度分析和优化

础上，进行径向力波优化，为分析复杂工况运行的电
使用工况复杂。因此，工作环境特殊性使电动车用
电机的电磁噪声问题比较突出ｌ１］。
动车用永磁同步电机提供了一种新方法。
电机的主要噪声源为径向力波，其作用于定子，使定子振动而辐射噪声］。因此改善径向力波成为
第３３卷第３期
２０１３年６月
振动、测试与诊断
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ
Ｖｏ１．３３Ｎｏ．３
Ｊｕｎ．２０１３
声和振动性能。文献Ｅ９］描述了一种精确预测永磁同步电机电磁噪声的数值模型，建模过程中采用三维有限元法精确计算了径向力波。文献Ｅ６ — １０１采用
其中：（，￡）为气隙磁导；ｆ（Ｏ，）为气隙磁势。
由Ｍａｘｗｅｌｌ定律，电磁径向力波由电机气隙磁
术快速发展，数值法尤其是有限元法，越来越多地应用于径向力波分析。文献［７］应用电磁场有限元法
和麦克斯韦张量法计算了径向力波，研究了极槽配
波。通过解析法和试验，验证了有限元参数化模型的正确性。应用该模型，以永磁体厚度、气隙长度、定子槽中心宽度、定子槽开Ｅｌ宽度４种结构因素为设计变量，以１阶、２阶、３阶径向力波能量和径向力波均值最小为目标函数，进行了影响径向力波的结构因素灵敏度分析。结合电机设计要求，提出了改变气隙长度和定子槽中心宽度的参数优化方案，有限元计算结果显示优化方案改善了径向力波。关键词电动车；永磁同步电机；径向力波；灵敏度分析；优化

基于电磁力分析的永磁同步电机研究及优化

1永磁同步电机电磁力分析
1.1永磁同步电机电磁力的解析计算
电机气隙磁场产生并作用于定子内表面单位面
积上的径向电磁力和切向电磁力可分别表示为:
p圧（力）
P严飞丁
(1)
巴二丄耳（九£）
（2）
Mo
式中沪°二4“ x 10-7（H/m），表示真空磁导率;民（0,
0表示径向气隙磁密;§（&,力）表示切向气隙单、运行效率高且控制方式多样，广泛应用于军事国防事业、工业与农业生产、日常生活等各领域。随着电机工作环境的变化, 对永磁同步电机的运行稳定性、噪声控制的要求更加严格，降低电机工作过程中的振动噪声是提高电机设计制造水平的重要内容口切。
永磁同步电机运行过程中产生的噪声主要由电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声三部分组成,其中电磁噪声是电机噪声中重要的噪声源。永磁同步电机工作时，气隙磁场内的径向电磁力和切向电磁力是电磁噪声的主要激励源,径向电磁力作用于定子表面引起电机振动，切向电磁力作用于定子齿根使定子齿部产生扭曲变形。与切向电磁力相比，径向
・28・
小。P1为可变部分，它是旋转径向力波，产生频率为M（/i为电机电源频率）的电动机噪声。
电磁力对电磁噪声的贡献量更高⑶o Islam. R和Husain. I通过对永磁同步电机进行
电磁有限元仿真,发现与齿槽转矩和转矩波动相比，径向电磁激振力才是引起电机振动和噪声的主要原因⑷;F. Taegen用解析法分析径向电磁力时间和空间上的变化对永磁同步电机振动噪声的影响，并通过试验证明⑸；沈阳工业大学于慎波教授等详细分析径向电磁力特性,并仿真得到电机负载运行时瞬态磁场分布，探究径向电磁力频域特性对电磁噪声的影响⑷；李俊武等对小功率永磁同步电机进行研究，证明永磁同步电机定子结构参数是影响电机电磁噪声特性的重要因素〔7］。

永磁同步电机径向电磁力

永磁同步电机径向电磁力永磁同步电机是一种采用永磁体作为励磁源的同步电机。

它具有结构简单、功率因数高、效率高、体积小、重量轻、响应快等优点，广泛应用于电动汽车、工业生产线等领域。

在永磁同步电机中，径向电磁力是其重要的性能指标之一。

径向电磁力是指电机在运行过程中，产生的沿着径向方向的力。

它的大小和方向直接影响电机的运转稳定性和效率。

永磁同步电机的径向电磁力主要由两部分组成：一是永磁体和定子绕组之间的磁场相互作用产生的磁场力；二是定子绕组中电流与磁场相互作用产生的电磁力。

永磁体和定子绕组之间的磁场相互作用产生的磁场力是永磁同步电机径向电磁力的主要来源。

在电机运行过程中，永磁体的磁场与定子绕组中的磁场相互作用，产生一个径向的力。

当永磁体的磁场与定子绕组的磁场方向相同时，磁场力的大小最大；当二者的磁场方向相反时，磁场力的大小最小。

通过调节永磁体的磁场强度和定子绕组的磁场分布，可以控制永磁同步电机的径向电磁力大小和方向。

定子绕组中电流与磁场相互作用产生的电磁力也会对永磁同步电机的径向电磁力产生影响。

当定子绕组中通过电流时，电流与磁场相互作用，产生一个沿着径向方向的力。

这个力的大小和方向取决于电流的大小和方向，以及磁场的分布。

通过调节定子绕组中的电流大小和方向，可以改变永磁同步电机的径向电磁力大小和方向。

在实际应用中，为了实现永磁同步电机的稳定运行和高效率工作，需要合理设计电机的结构和参数。

首先，需要选择合适的永磁体材料和磁场分布方式，以获得较大的磁场力。

其次，需要选择合适的定子绕组结构和参数，以获得合适大小和方向的电磁力。

同时，还需要考虑电机的散热和保护等问题，以确保电机的安全可靠运行。

永磁同步电机的径向电磁力是其重要的性能指标之一，对电机的运行稳定性和效率有着直接的影响。

合理设计电机的结构和参数，可以实现较大的径向电磁力，提高电机的性能和效率。

随着技术的不断进步，永磁同步电机在各个领域的应用将进一步扩大。

无轴承永磁同步电机径向力控制研究

ＳＭＬＩＫＩＮ
１径向力产生原理
无轴承永磁同步电机的基本工作原理可以从图１示的模型中得到解释。所以定子等效绕组
径向力
ＭＡＴ／ＩＡＢ
中图分类号：ＴＭ３１文献标识码：５Ａ
ＤＯＩ编码：０３６／ｉｓ．０６２０．０００．０１．９９ｊｓｎ１０－８７２１．６０８．
。穆
ｒ＾
现代驱动与控制
无轴承永磁同步电机径向力控制研究
张磊李同华，
１京信息职业技术学院（１０６）南２０４２南京航空航天大学（１０６）２０１
ＳｔｕｄｙｏｎＲａｄｉａｌＦｏｒｅｏｆｔａｒｎｅＳＰｅｒａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔｓｅｈｅＢｅｉＳｍ－ｙｎｅｈｒｏｎｏｎｓＭｏｔｏｒＺｈａｎｇＬｅＬｉＴｇｈｉｏｎｕａ
ＮａｊｇＣｌｇｆｎｏｍａｉｎＴｃｎｌｇｎｏｌｅｏｆｒｔｅｈｏｏｙｉｎｅＩｏ
ＮａｊｇＵｎｖｒｉｆｒｎｕｉｓｎｔｎｕｉｓｎｉｅｓｔｏｏａｔｄＡｓｒａｔｉｎｙＡｅｃａｏｃ
Ｕ＝ｃ４ｂａ２ｏ／ｐＬａ
Ｕ＝ｃ４ｂｂ２ｏ，ＤＬａ
（）５
（）６
致ｌ处磁通密度增加，处磁通密度减小，３从而产
生一个使转子将向ｘ正方向移动的力。同理，如果转子出现沿ｘ向右偏心时，ｘＮ中通反方向电流时，
４
护、高转速等一系列突出优点，在真空、静室、无菌车间、腐蚀性介质或非常纯净介质的传输等领

永磁同步推进电机电磁振动分析

2017年12月电工技术学报Vol.32 No. 23 第32卷第23期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Dec. 2017 DOI：10.19595/ki.1000-6753.tces.161991永磁同步推进电机电磁振动分析陈益广1韩柏然1沈勇环1魏娟2郭喜彬2（1. 天津大学智能电网教育部重点实验室天津 3000722. 北京精密机电控制设备研究所北京 100076）摘要依据Maxwell应力方程推导了永磁同步电机径向电磁力的解析表达式，分析归纳了电机内各阶次、各频率径向电磁力的来源。

以一台45槽10极永磁同步推进电机为例，分别建立了电机电磁有限元模型和结构有限元模型，并进行了模态分析；将电磁有限元模型中得到的径向电磁力耦合到结构有限元模型中，对电机进行了电磁振动谐响应分析；最后将样机实测加速度频谱与有限元仿真结果进行对比，验证了径向电磁力解析式及电磁振动有限元仿真结果的正确性。

关键词：永磁同步推进电机电磁振动径向电磁力谐响应分析中图分类号：TM351Electromagnetic Vibration Analysis of Permanent MagnetSynchronous Propulsion MotorChen Yiguang1 Han Boran1 Shen Yonghuan1 Wei Juan2 Guo Xibin2(1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education Tianjin UniversityTianjin 300072 China2. Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control EquipmentBeijing 100076 China)Abstract The analytical expressions of permanent magnet synchronous motor radial electromagnetic force are derived according to the Maxwell stress equation, and the sources of radial electromagnetic force of each order and frequency are analyzed and concluded. Taking a 45-slot 10-pole permanent magnet synchronous propulsion motor (PMSPM) as an example, the electromagnetic finite element model and structure finite element model of the motor are established respectively. Then the modal analysis is carried out on the motor. The radial electromagnetic force obtained from the electromagnetic finite element model is coupled to the structural finite element model, so that the harmonic response analysis is performed on the electromagnetic vibration of the motor. Finally, the acceleration spectrum of the prototype is compared with the corresponding finite element simulation result, which have verified the correctness of the radial electromagnetic force analytic expressions and finite element simulation results.Keywords：Permanent magnet synchronous propulsion motor, electromagnetic vibration, radial electromagnetic force, harmonic response analysis0引言推进电机是舰船和水下装备的动力核心[1]。

表贴式调速永磁同步电动机径向磁拉力分析_梁文毅

Rad ial E lectrom agnetic Force Analysis of V ector- C on trolled SPM S Ms LIANG W en - y i ( H angzhou E asitech Corporat io n , H ang zhou 310053 , China)
Abstract : T he har m on ic constituent part of magnetic fie ld in vector- controlled SPM SM syste m w ith load was analysed and the conclus ion tha t the load- fie ld can be sepa rated in to no - load field and ar m ature field was proposed and ve rified by EasM i o tor . T he rad ia l e lectrom agnetic fo rce can been ana lysed by the FEM m ethod based on th is conc lusion and it provides theo retical basis fo r the study of no ise and v ibration e li m ination. K ey word s :P M SM; e lec trom agnetic no ise ; radia l e lectro m agnetic fo rce ; m agnetic field separation
当然 , 在实际分析中, 也不可忽视其它各次谐波的因素, 在后续的分析中, 通过电磁场分析的方法, 可以有效地分析各谐波产生的主要的径向力波。

车用永磁同步驱动电机径向力波仿真分析

车用永磁同步驱动电机径向力波仿真分析吴爽;于蓬;章桐【摘要】Permanent magnet synchronous drive motor for motor vehicle was studied in this paper .Ansoft was used to build two-dimensional model of the motor, simulated the motor air gap flux density time distribution and spatial distribution, and calculated motor radial electromagnetic force .Through the harmonic analysis of the time and spatial distribution of the flux density and radial electromagnetic force wave , their law with the speed and load changes were determined to lay the foundation for the vibration and noise analysis of the motor .% 以某车用永磁同步驱动电机为研究对象，采用Ansoft软件建立其二维电磁模型，对电机的气隙磁密时间分布和空间分布进行仿真，计算得到电机的径向电磁力波。

通过对气隙磁密时间分布、空间分布和径向电磁力波进行谐波分析，把握其随转速和负载变化的规律，为电机的振动和噪声分析打下基础。

【期刊名称】《佳木斯大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(000)005【总页数】4页(P666-669)【关键词】永磁同步电机;气隙磁密;径向电磁力;谐波分析【作者】吴爽;于蓬;章桐【作者单位】同济大学汽车学院,上海201804;同济大学汽车学院,上海201804;同济大学汽车学院,上海201804; 同济大学新能源工程中心,上海 201804【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言驱动电机是电动汽车的关键部件之一，为了保证电动汽车的行驶稳定性和舒适性，对电机的性能提出了更高的要求.本文主要针对电机的电磁噪声展开研究.电磁噪声由电磁振动产生，电磁振动则由电机的空气隙中，定、转子绕组电流建立的磁场的相互作用下所产生的周期力引起.S.J.Yang总结出了电机产生的噪声与噪声源及其响应，以及作为噪声源的装置的辐射特性有关，第一次提出了近似共振的概念[1];文献[2]对感应电动机、同步电动机和直流电动机噪声产生机理进行了更详尽和系统的研究，提出径向力波的概念，对径向力的频率成分进行了数学描述和实验验证;代颖等对电动车驱动用永磁同步电机进行了力矩特性的研究[3];宋志环等进行了不同极槽配合永磁同步电动机振动噪声分析[4];高学联对电动汽车用永磁无刷电动机进行了研究[5].本文以某电动小车的永磁同步驱动电机的电磁特性为对象进行分析和研究，采用Ansoft软件建立其二维模型，对电机的气隙磁密时间分布和空间分布进行仿真，计算得到电机的径向电磁力波.1 永磁电机二维仿真模型1.1 模型建立利用Ansoft Maxwell中的RMxprt模块对45kw永磁同步电机进行建模，本文研究的为电动汽车驱动用永磁电机.通过实地观测得到电机的各项参数，对电机结构较为复杂的转子进行CAD建模.图1 电机二维仿真模型表1 电机的结构参数定子外径/mm 230转子内径/mm 43气隙/mm 0.6定子内径/mm 156.4轴向长度/mm 100槽数48运用 Ansoft软件后其中的 RMxprt模块对45kW电机定子铁心，转子铁心和永磁体材料进行定义，生成电机的二维模型.模型建立后利用该模块的一键式直接导入2D界面的功能，自动完成45kW电机Maxwell 2D模型的建立.同时将CAD建立的转子的模型导入到该二维模型中，取代其自动生成的转子模型，电机的二维建模完成.1.2 模型验证对电机施加三相正弦电流作为电机的激励源，以额定负载转速3000rpm为例，三相激励电流如图2所示.图2 3000rpm时电机三相激励电流图3 各转速下试验测得和仿真得到的电机输出转矩图4 定子内表面圆周的气隙磁密空间分布通过给定负载正弦波激励电流和恒定转速，将仿真得到的输出转矩与实验得到的数据进行对比，对仿真模型进行验证.图3为各转速下试验和仿真得到的电机的输出转矩.可知软件仿真得到的各转速下的负载输出转矩与实验得到的各转速下的负载输出转矩基本吻合，验证了软件仿真模型的正确性，即对于对称布置永磁体，不考虑端部效应的永磁同步电机可以采用二维模型替代三维模型的简化方式，对电机的性能进行仿真.2 永磁电机仿真分析2.1 空载分析为了方便空载工况的计算，将激励电流值设为0，对额定转速3000rpm进行了仿真，得到定子内表面圆周的气隙磁密空间分布如图4所示，电机定子内表面某点的气隙磁密时间分布如图5所示.图5 定子内表面某点的气隙磁密时间分布图6 3000rpm时电机定子内表面某点的气隙磁密时间分布图7 3000rpm时电机定子内表面某点的气隙磁密时间分布谐波分析图4为定子内表面圆周的气隙磁密空间分布，从整体上来看与空间点的气隙磁密时间分布波形较为相似，都类似矩形波，且有一段时间内气隙磁密为0.但气隙磁密空间分布上每个波峰波谷处都有极大的波动，幅度达到0.6T.图5所示为电机定子内表面某点的气隙磁密时间分布，图中曲线光滑，气隙磁密呈现类似矩形波形状，气隙磁密的最大值约为0.8T，且波形之间有一段时间的延迟，即某一段时间气隙磁密为0.图8 3000rpm时电机定子内表面气隙磁密空间分布2.2 负载分析2.2.1 气隙磁密时间分布和空间分布给定相应的正弦波激励电流，对不同转速下电机的稳态工况进行仿真分析，可以得到气隙磁密的时间分布和空间分布.以额定负载转速3000rpm为例，得到电机定子内表面某点的气隙磁密时间分布如图6所示，谐波分析如图7所示.表2为对各转速下该点气隙磁密时间分布图进行谐波分析后得到的谐波幅值最大处频率.表2 谐波幅值最大处频率及气隙磁密大小转速/(rpm) 电流频率/(Hz) 幅值/(T)1000 66.67 0.58282000 133.33 0.60613000 200 0.58694000 266.670.55965000 333.33 0.54696000 400 0.54107000 466.67 0.54098000 533.33 0.54149000 600 0.5424结合表2和图7可以看出，在各个转速下，气隙磁密的基频与激励电流的频率保持一致;基频处的幅值最高，约为谐波最大幅值的6～7倍.之后的幅值高点出现在3倍频，5倍频，7倍频，9倍频，11倍频处，其中7倍频处的幅值在这些倍频中最大.从走向趋势上来看，从1000rpm到7000rpm转速范围内基频及各倍频处的幅值都随着转速的变大呈现下降的趋势.7000rpm到9000rpm转速范围内基频处的幅值则随着转速的增加而略有增长.整体而言，基频随着激励电流频率的增大而增大，在高转速时，5000Hz内气隙磁密谐波的成分较低转速时明显减少，幅值也较低.电机定子内表面周向的气隙磁密分布如图8所示.电机有4对极，即一共8极，所以在一周范围内气隙磁密共有4个波峰和4个波谷，对应该极的气隙磁密最大处.负载时的气隙磁密随定子内表面的空间分布与激励电流的正弦波形相似，不同于空载时类似矩形波的气隙磁密空间分布波形.从图中可以得到，气隙磁密的最大值约为1.4T，每隔45°出现一个波峰或波谷，而且越靠近峰值处，气隙磁密的波动越大，当接近0时，则基本无波动，与空载时的变化趋势相似.这是由于定子绕组槽对气隙磁密的影响，所以在某空间点气隙磁密沿时间分布图上并没有这种波动现象.2.2.2 径向电磁力时间分布图9 3000rpm负载转速下电机定子内表面某点的径向电磁力时间分布图10 3000rpm时电机定子内表面某点的径向电磁力的谐波分析表3 谐波幅值最大处频率及径向电磁力波大小转速/(rpm) 频率/(Hz) 幅值/(N/m2)1000 133.3 1322002000 266.67 1342003000 399.9 1343004000 533.2 1179005000 666.4 1084006000 799.7 1048007000 933.3 969808000 1067 972409000 1200 43900以额定转速负载稳态工况为例，得到该空间点的径向电磁力时间分布和谐波分析.从图10可得3000rpm负载转速下该点的径向电磁力的谐波分析的最大值出现在频率为0处，为2.649×105 N/m2.谐波幅值呈现随转速增加而减小的趋势，与气隙磁密的变化基本相同.各转速下径向电磁力的谐波幅值最大处的频率及其幅值大小如表3所示.将表2与表3比较可知，径向力波的频率为激励电流频率的2倍，即f=2f1 r(r=1，2，3，…)，f1为激励电流频率，及激励电流的频率.由此可得，同步电机的电磁噪声和振动频率与电网频率成整数倍的关系，当电网频率为50Hz时，同步电机的振动和噪声频率为100的倍数，这也是同步电机与异步电机在振动和噪声方面的区别所在.而对于本文研究的电动汽车驱动用调速永磁同步电机来说，为了满足尽可能增大输出转矩和转速的变化范围的要求，采用变频器供电的情况下，各转速的径向力波的谐波频率分布较为密集，易与定子产生共振效应，产生剧烈的振动.3 结论电机的电磁振动和噪声是由作用于电机定子上的径向电磁力波和切向转矩波动引起的，本文从径向电磁力波入手，对永磁同步驱动电机的空载和负载稳态工况进行了分析研究.(1)对于对称分布的调速永磁同步电机可以通过二维模型代替三维模型进行仿真.(2)气隙磁密的时间分布和空间分布随转速的增加幅值减小.从其谐波分析可以得到基波时的幅值最大，分布在5000Hz内的谐波数量和幅值也呈减小趋势.(3)径向力波在频率为二倍激励电流频率时的谐波幅值最大，谐波幅值也随转速的增加而减小.参考文献:[1]J.Ellison，S.J.Yang.Calculation of Acoustic Power Radiated by Electric Machine[J].Acoustics，1971，(25):28 － 34.[2]S.J.Yang.Low Noise Electrical Motors[M].Clarendon Press，Oxford，1981.[3]代颖，崔淑梅.电动车驱动用永磁同步电机力矩特性的研究[J].高技术通讯，2005，15(12):64 －67.[4]宋志环，韩雪岩，陈丽香，唐任远.不同极槽配合永磁同步电动机振动噪声分析[J].微电机，2007，40(12):11 －14.[5]高学联.电动汽车用永磁无刷电动研究[D].山东大学，2010.[6]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社，1997.[7]陈永校.电机噪声的分析和控制[M].杭州:浙江大学出版社，1987.。

表贴式调速永磁同步电动机径向磁拉力分析

０引言
电磁噪声是调速永磁同步电动机噪声的主要来源之一，尤其是低速永磁同步电动机。电磁噪声的产生通常由定转子谐波磁场相互作用产生的径向力
波引起，由于在中小型分数槽永磁同步电动机中包
１１永磁同步电动机内的电磁场．Ｊ
声，另文进行分析，将不在本文涉及。
将式（）式（）入式（）１、２代３即可得到：
ｂＯ） ∑ ＦｏＳＡＯｐｏ
ｔｏｅｉａａｉｏｈｔｙｏｏｓｎｉｒｔｎｅｉｎｔｏｈｅｒｔｃｌｂｓｓｆｒｔｅｓｕｄｆｎｉｅａｄｖｂａｉｌｍｉａｉｎ．ｏ
ＫｅｒｓＰＭ；ｌｃｒｍａｎｔｏｓ；ａｉｌｅｅｔｍａｎｔｏｃ；ｇｅｉｆｌｅａａｉｎｙｗｏｄ：ＭＳｅｅｔｏｇｅｉｎｉｅｒｄａｌｃｒｃｏｇｅｉｆｒｅｍａｎｔｅｄｓｐｒｔｃｃｉｏ
体磁势可表示如下：
含丰富的低次谐波，因此在设计分析过程中需对此重点关注。
目前对于电机噪声的分析主要集中于比较成熟的感应电机和电励磁同步电机＿有部分相关文ｌ，。
／，：∑Ｆｃｓｐ — ｔｔ（）（ＯＶｏｖｏ）
同步角频率。当忽略饱和时，磁体磁场即空载磁永
场可表示为：６（，＝厂０ｔＡ（）０ｔ＿，）０）（（）３

永磁同步电动机径向电磁力的分析研究

f ( , t ) f 0 ( , t ) f v ( , t ) f ( , t )
v

F0 cos( p 0t 0 ) + F cos( 0t ) F cos( 0t )

(3)
当永磁同步电动机定子开槽，转子为表贴式结构时，气隙比磁导近似表达式为[5]：
谐波幅值/T 36槽 0.2009 0.0066 0.0098 0.0086 0.0038 0.0569
气隙磁场正弦畸变率（%）
25 20 15 10 5 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26
48槽 0.1999 0 0 0.0041 0.0035 0
24槽 36槽 48槽
0.1963 0 0 0.0633 0.0389 0
( , t ) 0 l

(4)
1
其中 F ( , t ) 、 F ( , t ) 、 f 0 ( , t ) 分别为转子永磁体谐波磁动势、定子谐波磁动势、定子基波磁动势。

0 ：定子基波电流频率，：定子谐波极对数，：转子谐波极对数， 0 为单位面积气隙磁导的不变部
1 永磁同步电动机径向力波分析原理
定转子绕组磁势和气隙磁导决定了产生电机电磁噪声的激振力大小。所以可以通过分析定转、子磁场来研究永磁同步电动机的电磁径向力问题。
[4]
1.1 永磁同步电动机磁动势和磁场的谐波分析根据麦克斯韦定律，在电机气隙中单位面积径向电磁力的瞬时值可表示为：
pr
b( , t ) 2 2
Abstract: This paper briefly deduces and analyzes the principle of radial electromagnetic force of permanent magnet synchronous motors(PMSM). Finite element analysis software of ANSYS Maxwell is employed to calculate the harmonic content of no load-field and rated load field of three PMSMs with 8 poles, 24/36/48 slots respectively, and analyze their radial force wave as well, which can effectively analyze the radial magnetic force of PMSM. It also studies effects of different pole arc coefficient, rotor eccentricity, pole/slot combination on the air-gap harmonic magnetic field of PMSM. Analysis and calculation results shows that the radial electromagnetic force can be more effectively reduced by using integer slot combination than that of fractional slot combination, and it provides theoretical basis for the study of vibration and noise of reduction. Key words: PMSM; radial force wave; vibration; noise

外转子永磁同步电机径向电磁力分析与抑制

外转子永磁同步电机径向电磁力分析与抑制
边旭;纪毅;梁艳萍
【期刊名称】《电机与控制学报》
【年(卷),期】2022(26)10
【摘要】针对外转子永磁同步电机运行过程中存在径向电磁力谐波的问题,提出一种新型的抑制方法。

样机采用一台额定功率为3 kW的外转子永磁同步电机,首先,对电机径向电磁力的来源、阶数进行理论分析并推导样机所对应的主要电磁力波阶数;其次,以抑制电机径向电磁力为目的,提出一种新型的齿顶偏心方法;然后,采用二维瞬态时步有限元法仿真分析采用与不采用齿顶偏心结构时电机的气隙磁密以及径向电磁力及其谐波含量,与之前理论分析所得的主要电磁力波阶数以及谐波含量的变化情况进行对比;最后,建立样机实验平台并通过样机实验对仿真结果进行验证。

结果表明,外转子永磁同步电机径向电磁力是由永磁体磁场与电枢绕组磁场共同作用所产生的,采用齿顶偏心结构能够有效降低电机气隙磁密以及径向电磁力的各次谐波。

【总页数】7页(P74-80)
【作者】边旭;纪毅;梁艳萍
【作者单位】哈尔滨理工大学电气与电子工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM351
【相关文献】
1.电动车用永磁同步电机转子偏心对电磁力影响分析
2.外转子表贴式永磁同步电机永磁体径向吸力分析计算
3.电主轴用宽弱磁调速范围永磁同步电机径向电磁力研究
4.转子分段移位斜极的永磁同步电机轴向电磁力分析
5.永磁同步电机转子偏心电磁力和挠度的分析与计算
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径向和切向结构永磁同步发电机的比较研究

径向和切向结构永磁同步发电机的比较研究赵朝会1，2，李遂亮3，王新威3（1 上海电机学院电气学院，上海 200240；2. 南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室，江苏南京 210016；3. 河南农业大学机电工程学院，河南郑州 450002）[摘要]针对径向结构和切向结构永磁同步电机结构上的不同，分析了转子加工和装配方面的差异。

利用磁路和有限元的计算方法，探讨了两种电机在发电状态下的性能差别，研究了产生这些区别的原因。

指出：径向结构永磁同步发电机的电压调整率、谐波失真率小于切向结构永磁电机，外特性较切向结构电机硬；其运行的稳定性要大于切向结构电机；漏磁较小，转子装配工艺简单。

[关键词]径向结构；切向结构；永磁同步电机[中图分类号]TM313; TM303 [文献标识码]A [文章编号] 1000-3983（2007）04-0001-04 Comparative Investigation of SPM and IPM Synchronous Electric MachineZHAO Chao-hui1,2, LI Sui-liang1, WANG Xin-wei1（1. Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China; 2. Aero-PAOWER Sci-Tech Center, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China; 3. Mechanical and Electrical Engineering College of Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China) Abstract: This paper compares SPM(Surface-mounted Permanent Magnet) and IPM(Interior Permanent Magnet) machine in various aspects: differences in rotor machining and assembly; different performances under power generating state. Investigation shows that the voltage regulation rate and harmonic distortion rate of SPM are less than those of IPM. Comparing with IPM, the operation stability is larger, the flux leakage is less and rotor assembly is easier.Key words: SPM; IPM; permanent magnet synchronous machine1引言永磁同步发电机由于没有励磁绕组和励磁装置，不消耗励磁功率，还可省去滑环和电刷，所以与电励磁发电机比较，具有损耗小、效率高、结构简单、可靠性高等突出优点，获得了越来越广泛的应用。