船用永磁同步电机噪声控制方法研究

作     者：刘兴刚 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于慎波;臧鹏飞

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：内置永磁同步电机 保角映射 粒子群优化算法 谐波畸变率 振动噪声 

摘      要：近年来,随着超高性能稀土永磁材料的快速发展,永磁同步电机也在新一轮的工业革命中迎来了快速发展的机遇。由于船内空间较小,使用永磁同步电机可以有效提高船内空间利用率,在对设备安装与维修时更加方便,因此永磁电机在船舶上已经被广泛应用。但是永磁同步电机在其运行时不可避免的会产生振动噪声,会降低其运行性能、控制精度等。尤其是在军舰上使用永磁电机时,对电机的振动噪声有着更严格的控制标准。因此,对船用永磁同步电机噪声控制方法研究具有重要意义。本文主要研究内容如下:首先,采用保角映射法对一台内置式船用永磁同步电机的空载气隙磁场进行了分析计算,由于电机内部结构较为复杂,将边界条件简化处理,同时考虑转子凸极率和定子开槽对气隙磁场的影响,并通过编程软件对解析模型进行编程。将解析结果与有限元结果对比可以得出以下结论:两种方法获得波形几乎相似曲线的变化趋势一致,说明采用保角映射法能够有效地对内置式永磁同步电机空载气隙磁场进行解析计算,为接下来电机电磁性能优化提供了参考。根据麦克斯韦张量法计算出电机的径向电磁力,对其进行傅里叶转换得到谐波分析图和频谱分析图。其次,对电机定子机壳做无约束模态分析,通过参数修改使电机多阶主要固有频率,远离径向电磁力谐波频率,从电机结构设计上避免了共振的发生。由于磁极参数对电机空载气隙磁场的正弦性影响较大,采用粒子群优化算法对磁极参数进行优化分析,优化后电机谐波畸变率和齿槽转矩都减小。采用钕铁硼和铁氧体永磁材料组合的方式进一步降低气隙谐波畸变率。永磁体两端采用铁氧体还可以有效提高磁极局部抗退磁能力,降低生产成本。最后,利用ANSYS有限元软件对永磁同步电机的振动噪声进行磁场、机械场和声场的耦合分析。将MAXWELL里获得的电磁力和电机振动与噪声仿真互相耦合,得到电机振动加速度和噪声。对比分析了优化前后电机噪声,发现优化后电机噪声降低了5.3%,验证了优化方法的有效性。