低谐波多相永磁容错电机振动噪声研究

作     者：赵士豪 

作者单位：河北科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛智宏;陈进华

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：多相永磁电机 解析法 有限元法 电磁力谐波 振动噪声 故障容错 

摘      要：多相永磁电机因兼具多相电机和永磁电机的转矩脉动低、振动噪声低、容错能力强和可靠性高等优势在电动汽车、航空航天、水下推进等场合广泛应用,近年来成为越来越多电机领域研究学者的热门研究方向之一。本文以六相永磁同步电机为研究对象,以低振动噪声为研究目标,建立低谐波永磁电机磁场和振动噪声解析计算模型,通过场路耦合法建立了双三相电机全频域谐波分析模型,以解析法和有限元法对多相绕组断路故障和短路故障下电机振动噪声建模计算,设计并研制一台低振动噪声双Y移30°永磁电机进行实验验证。本文主要研究内容分为以下几个方面:首先,建立了低谐波永磁同步电机磁场解析计算子域模型。在二维极坐标下,建立偏心式和面包型转子的不均匀气隙永磁体等效计算模型和基于气隙磁场矩阵时空向量平移的分片层等效定子斜槽模型,以有限元法验证建立模型计算的有效性和准确性,实现了低谐波定转子结构下单元电机的空载和负载工况的电机磁场性能快速计算,为低谐波多相永磁电机快速设计和振动噪声计算奠定基础。其次,多相永磁电机低谐波方案设计及径向电磁力谐波分析。根据多相绕组磁动势模型对双Y绕组重构设计并对其谐波分析,确定相移30°拓扑结构更具低谐波优势。分析了不同结构参数下径向电磁力谐波分布规律,推导了对整数槽电机振动噪声影响较大的槽频电磁力的谐波贡献来源,确定了低谐波双Y永磁电机方案。基于双dq矢量控制建立双Y永磁电机场路耦合模型,考虑逆变器供电的非正弦电流对径向电磁力谐波的影响,对电机低频谐波和开关频率处高频谐波进行空载和负载工况的对比分析。然后,多相绕组开路故障和短路故障下电机振动噪声建模计算分析。结合电磁力解析求解模型,建立多相电机振动噪声解析计算方法,假设一相绕组开路故障下,分析了不采用容错策略、采用最大转矩容错策略、最小铜耗容错策略和单三相模式下电机谐波和振动噪声分布规律。建立多相绕组匝间短路故障的场路耦合和解析混合计算模型,分析了不同程度的匝间短路下电机谐波和振动噪声分布规律。最后,制作样机并搭建实验平台进行测试及实验结果分析。分别进行模态锤击法验证实验和振动噪声实验,分析电机空载运行下振动噪声频谱成分,通过解析计算结果和实验结果对比验证了建立的低谐波多相电机振动噪声解析模型的有效性和准确性。