林 巖，方 超，滿 翊

(1.國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古能源有限公司，通遼 028011；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

0 引 言

發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的重要輔助系統(tǒng)，主要用于冷卻發(fā)電機(jī)定子繞組及出線側(cè)的高壓套管[1]。隨著國家標(biāo)準(zhǔn)對水系統(tǒng)技術(shù)要求的提升，目前，水-氫-氫冷卻方式的發(fā)電機(jī)水系統(tǒng)已很難適應(yīng)技術(shù)發(fā)展。加堿注射泵的效率利用為發(fā)電機(jī)水系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)前加堿注射泵使用時(shí)電動機(jī)振動較大，會導(dǎo)致電動機(jī)本身的性能不穩(wěn)定，進(jìn)而可能造成發(fā)電機(jī)的停機(jī)維修。因此，可以對該電機(jī)進(jìn)行性能優(yōu)化，通過降低振動，進(jìn)而提高電機(jī)的使用壽命，有效改善發(fā)電機(jī)的維修周期。

內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)(以下簡稱IPMSM)可以理解為兩種不同類型電機(jī)的加成：永磁同步電機(jī)和同步磁阻電機(jī)。IPMSM同時(shí)具有永磁同步電機(jī)的高效率和同步磁阻電機(jī)的高功率優(yōu)點(diǎn)。由于使用了釹鐵硼永磁材料，電機(jī)的效率和功率密度都顯著增加。同時(shí)，IPMSM減少了釹鐵硼的消耗，降低了成本，并且速度更高[2-3]。

本文涉及永磁同步電動機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和振動噪聲的分析，充分利用同步電動機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。研究了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁體形狀對轉(zhuǎn)矩大小的影響，并特別研究了IPMSM的振動和噪聲[4]。

1 永磁體的優(yōu)化

1.1 永磁體角度的優(yōu)化

本文設(shè)計(jì)了一臺45 kW的三相永磁同步電動機(jī)。該IPMSM的極槽配合為8極48槽。本文中的角度定義為永磁體側(cè)面與其對稱軸之間的角度，范圍為60°至85°。磁體的一種配置如圖1所示[4]。

圖1 磁體安裝角度示意圖

在額定轉(zhuǎn)速1 960 r/min下，電磁轉(zhuǎn)矩與角度的關(guān)系如圖2(a)所示。隨著角度的增大，電磁轉(zhuǎn)矩先變大后變小，在74°時(shí)達(dá)到最大值，為366.54 N·m。磁阻轉(zhuǎn)矩隨角度的變化而變化，如圖2(b)所示，角度增加時(shí)轉(zhuǎn)矩有減小的趨勢。磁阻轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩之比隨角度的增加而減小，如圖2(c)所示。轉(zhuǎn)矩脈動隨角度變化的范圍很小，如圖2(d)所示，對整體性能影響很小。

圖2 轉(zhuǎn)矩與角度關(guān)系圖

1.2 永磁體厚度的優(yōu)化

在永磁體體積恒等的前提下進(jìn)行永磁體的厚的優(yōu)化，厚度變化范圍為6.4 mm～8.6 mm。在額定轉(zhuǎn)速1 960 r/min下，轉(zhuǎn)矩與永磁體厚度的關(guān)系如圖3所示。隨著永磁體厚度的增加，電磁轉(zhuǎn)矩減小，磁阻轉(zhuǎn)矩增大，磁阻轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩的比值增大。轉(zhuǎn)矩脈動隨角度的變化范圍很小，約1.4%，對整體性能影響很小[5]。

圖3 額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩與永磁體厚度關(guān)系圖

在最大轉(zhuǎn)速7 000 r/min下，轉(zhuǎn)矩隨永磁體厚度的變化如圖4所示。電磁轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩及其比值的變化趨勢，與額定轉(zhuǎn)速時(shí)一致。轉(zhuǎn)矩脈動變化范圍很小，只有5%的范圍區(qū)間，對整體性能影響很小。

圖4 最高轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩隨永磁體厚度的變化

1.3 輔助槽開口的優(yōu)化

圖5 輔助插槽對磁密的影響

2 噪聲分析

2.1 空載條件下的電磁波徑向密度

在額定轉(zhuǎn)速1 960 r/min時(shí)電磁波的徑向密度隨著機(jī)械角度的改變而變化。由圖6(a)可知，電磁波徑向密度有4個(gè)周期，就機(jī)械角度而言，整個(gè)周期中有8個(gè)周期，這和極對數(shù)2p完全一致。圖6(b)是在徑向電磁力密度波隨傅里葉變換的空間位置變化時(shí)，徑向電磁波和力波數(shù)直方圖。圖6(c)顯示徑向密度隨時(shí)間的變化，圖6(d)是圖6(c)的傅里葉變換[7-8]。

圖6 空載徑向電磁波密度的空間分布和時(shí)間分布(1 960 r/min)

在最大轉(zhuǎn)速7 000 r/min下徑向電磁波密度的空間和時(shí)間分布如圖7所示。

圖7 空載徑向電磁波密度的空間分布和時(shí)間分布(7 000 r/min)

2.2 負(fù)載條件下的電磁波徑向密度

負(fù)載條件下，電磁波徑向密度的時(shí)間和空間分布如圖8、圖9所示。

圖8 負(fù)載徑向電磁波密度的空間分布和時(shí)間分布(1 960 r/min)

圖9 負(fù)載徑向電磁波密度的空間分布和時(shí)間分布(7 000 r/min)

力波數(shù)r是2p的整數(shù)倍，因此在圖7(b)和圖8(b)中，力波數(shù)是8的整數(shù)倍，其中零力波和8倍力的振幅較大，頻率是8倍基頻的整數(shù)倍。

3 電機(jī)固態(tài)模式

電動機(jī)諧振時(shí)會產(chǎn)生很大的電磁噪聲。電機(jī)諧振取決于其固態(tài)模式。本文從六個(gè)方面進(jìn)行了對比：①僅考慮定子磁軛，②整個(gè)定子，③定子及附加質(zhì)量，④定子繞組，⑤定子繞組包括端部，⑥定子繞組加上端部和附加質(zhì)量。從圖10可以看出，僅考慮定子磁軛的情況與實(shí)際情況有很大的不同。為真實(shí)模擬電動機(jī)模型，進(jìn)一步將質(zhì)量與殼體的定子繞組考慮在內(nèi)。

圖10 固有頻率的變化對比

4 振動與噪聲

圖11是電磁力簡示圖。為了簡化實(shí)際的復(fù)雜模型，本文中僅考慮基頻P。P0是徑向電磁力的一個(gè)分量，P0對本文討論的定子產(chǎn)生了一個(gè)恒定的吸引力，不會導(dǎo)致形變，由此可知并沒有噪聲生成,所以最終加載的力是去掉了直流分量的變化的力P1。

圖11 電磁力隨角度的變化而變化

電動機(jī)所加載的電磁力是一個(gè)正弦性的徑向力，就物理意義而言，該力對電動機(jī)既有吸引作用，也有排斥的作用。由電磁力引起的載荷圖和形變?nèi)鐖D12所示。

圖12 電磁力載荷圖

給電動機(jī)一定的頻率和初始相角，則會出現(xiàn)相應(yīng)的形變。圖13為在額定轉(zhuǎn)速1 960 r/min下，不同頻率下的空載應(yīng)力形變。

圖13 空載形變(1 960 r/min)

在額定轉(zhuǎn)速1 960 r/min和7 000 r/min時(shí)，空載條件下和負(fù)載條件下，不同力波產(chǎn)生的徑向電磁力和形變量如表1、表2所示。

表1 徑向電磁力的相應(yīng)數(shù)量和大小

表2 空載和負(fù)載條件下的不同形變量

噪聲計(jì)算過程如下：

當(dāng)振動頻率為f時(shí)，其對應(yīng)的角速度ω=2πf。以定子的平面作為聲發(fā)射器，聲強(qiáng)I與這個(gè)行程變量y的關(guān)系如下：

(1)

式中：ρ為空氣密度；c為空氣中的聲音速度。

當(dāng)電機(jī)遠(yuǎn)大于聲波長度時(shí)(通常大于10倍)，則為平面輻射器。本文計(jì)算得到的聲波長度，可以將定子看作是一個(gè)球形輻射器。本文涉及的波長范圍為0.10～1.32 m，電動機(jī)機(jī)殼直徑為0.29 m。

I球的有效值是：

I球=WrI平

(2)

根據(jù)類型來計(jì)算噪聲值L：

(3)

式中：I0作為聲音強(qiáng)度的基準(zhǔn)。

根據(jù)所有頻率計(jì)算出相應(yīng)的噪聲，最大變形情況下的結(jié)果如表3所示。

表3 空載條件下和負(fù)載條件下的不同噪聲

為了降噪，在定子繞組中灌封樹脂，把定子繞組和連接件看作一個(gè)整體來提高電動機(jī)固有模態(tài)頻率，效果明顯。使用的樹脂，其楊氏彈性模量1.91 GPa，密度1 161 kg/m3，泊松比0.35。模態(tài)頻率比較如圖14所示。

圖14 附加繞組和澆鑄樹脂的模態(tài)

最高轉(zhuǎn)速為7 000 r/min時(shí)，在波浪力作用下對32階振動進(jìn)行仿真，空載和負(fù)載時(shí)的形變?nèi)鐖D15所示，其噪聲比較結(jié)果如表4所示?？梢姡瑯渲喾夂?，降噪效果明顯。

圖15 樹脂灌封后，空載變形和負(fù)載變形(7 000 r/min)

表4 繞組增加質(zhì)量與灌封樹脂噪聲的比較(7 000 r/min)

5 結(jié) 語

在轉(zhuǎn)子上制作對稱輔助槽，可以減少氣隙磁通量密度諧波。通過優(yōu)化永磁體，得到合理的電機(jī)模型，并計(jì)算出其對應(yīng)的電磁力。在給定的定子繞組模型中，其固有模態(tài)為固定的，通過研究定子齒、機(jī)殼、繞組等的不同影響，得到合理的降噪方法。根據(jù)電動機(jī)振動原理，將不同力波數(shù)的徑向電磁力附加在對應(yīng)的有限元模型的定子齒，得到其對應(yīng)的電機(jī)噪聲。本文提出了定子澆注樹脂方案，該方案通過改變電動機(jī)固有頻率，有效降低了電機(jī)噪聲和振動幅值。