1、 硕士学位论文 压缩机用永磁电机效率和噪声的研究 RESEARCH ON EFFICIENCY AND NOISE OF PERMANENT MAGNET MOTOR USED IN COMPRESSOR 杨国庆 哈尔滨工业大学 2015 年 6 月 国内图书分类号： TM351 学校代码： 10213 国际图书分类号： 621.3 密级：公开 工程硕士学位论文 压缩机用永磁电机效率和噪声的研究 硕士研究生 ： 杨国庆 导 师 ： 宋立伟 申 请 学 位 ： 工程硕士 学科 ： 电气工程及其自动化 所 在 单 位 ： 电气工程及自动化学院 答 辩 日 期 ： 2015 年 6 月 授予学位单位
2、 ： 哈尔滨工业大学 Classified Index:TM351 U.D.C: 621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON EFFICIENCY AND NOISE OF PERMANENT MAGNET MOTOR USED IN COMPRESSOR Candidate： Yang Guoqing Supervisor： Song Liwei Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Electrical Engi
3、neering Affiliation： School of Electrical Engineering and Automation Date of Defence： June,2015 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - I - 摘 要 作为 空调压缩机的核心动力部件，永磁电机的效率与噪声问题直接影响压缩机的整机性能。永磁电机的效率和噪声问题 相互约束甚至 矛盾，分析永磁电机的效率和噪声问题 具有实际意义。本文将结合压缩机电机的应用背景，围绕永磁电机的效率和噪声问题
4、进行研究与分析。 首先，对 电机 铁心损耗的计算方法 及影响因素 进行研究分析。为较准确的计算铁心损耗，在考虑旋转磁化和谐波磁场情况下，本文在正交分解铁耗模型的基础上，修正其损耗系数，考虑磁密幅值 对铁心损耗系数的影响，给出变系数正交分解铁耗模型， 并和有限元计算结果相比较， 模型准确性由空载铁耗实验进行验证。空载铁心损耗分离时，机械损耗由无磁转子测试获得。基于此铁耗模型分析了电机主磁场对铁心损耗的影响。本文在考虑实际工业化生产的前提下，提出转子外圆由 多 段不等半径圆弧拼接的优化措施，能够 有效 改善 电机气隙磁场波形，在电机转矩系数不变时，减小电机铁心损耗，提高电机效率。 其次， 径向电磁
5、力是引起电机振动与噪声的主要原因，本文 从气隙磁场入手， 利用解析的方式 推导了 永磁电机的径向电磁力，并通过有限元进行验证。为方便分 析和突出主要阶次电磁力波 ，本文忽略高次磁动势和齿谐波磁导产生的高次谐波磁场，分别分析了空载和负载时 PMSM的主要阶次力波及频率特性。 然后，在压缩机的应用背景下，研究永磁同步电机定子铁心各阶模态 问题 。在保证相同冷媒流通面积的前提下，比较分析定子轭部切边形状对电机固有频率的影响。本文提出定子切边和回油槽结合的定子轭部设计，能够在相同冷媒流通面积下，具有最高的定子刚度，一定程度上能够降低噪声。通过动力学分析， 利用电磁与结构弱耦合的方式 计算电磁振动，引入
6、声辐射模型计算电磁噪声。比较分析气隙磁场波形对电机噪声的影响 ，表明本文提出的转子外圆优化措施能够降低电机噪声。 最后， 电磁负荷配比直接决定电机铜耗和铁耗分布，从而决定电机效率，而磁负荷又直接影响径向电磁力，进而影响电磁噪声，因此电机效率和噪声性能相互约束。 本文 研究电磁负荷配比 、 齿轭比例 以及定子槽型 对损耗分布以及电机噪声的影响，均衡电机在两个负载状态下的效率和噪声性能，确定最佳电磁负荷配比以及齿轭 尺寸 。完善电机结构参数，进行样机设计和加工，完成电机的空载和负载实验，实验结果和仿真计算基本吻合。 关键词 ： 压缩机 ； 永磁电机 ； 损耗 ； 电磁力 ； 模态；噪声 哈尔滨工业
7、大学工程硕士学位论文 - II - Abstract As the core power part of air conditioning compressor, the efficiency and noise paoblems of permanet magnet motor directiy affect the overall performance of compressor. Efficiency and noise of permanent magnet motor tend to be relate to each other, even contradictory. Anal
8、ysis of the efficiency and noise performance of permanent magnet motor will have practical significance. In combination with the application background of the compressor motor, this ariticle will research and analysis revolved around efficiency and noise of permanent magnet motor problems. Firstly,
9、the paper discusses the calculation method of core loss and influence factor. To accurately calculate the core loss, considering the rotation of magnetization and harmonic magnetic field, in this paper, based on the orthogonal decomposition of iron loss model, we amend the loss coefficient by consid
10、ering the influence of flux density amplitude on the core loss coefficient. Variable coefficient orthogonal iron loss model is given out and the model accuracy is verified from the no-load iron loss test, which mechanical loss obtained by no magnetic rotor. Based on the iron loss model, we reseach t
11、he influnence of the main air gap magnetic field for core loss. In this paper, on the premise of considering actual industrial production, an optimization measure of rotor is put forward, which the rotor is composed of three different radius of circular arc. As the coefficient of motor torque consta
12、nt, this form can adjust motor air gap magnetic field waveform and decrease the motor iron core loss and improve the efficiency of the motor. Secondly, The radial electromagnetic force is the main cause of motor vibration and noise, from the air gap magnetic field the radial electromagnetic force of
13、 permanent magnet motor is deduced and verified by finite element method. For the convenience of analysis and highlight the main problem, we ignore the high harmonic magnetic field genrated by high harmonic magnetmotive and the tooth harmonic permeance. The primary order force and frequency characte
14、ristic of load and no-load are analyzed respectively. Thirdly, under the background of the compressor application, the paper studies the stator modal of permanent magnet synchronous motor. On the premise of the same refrigerant flow area, the influnence of stator yoke cut shape for core modal freque
15、ncy is compared. This paper design the stator yoke combined cut with groove, which have the highest of the stator stiffness, to some extent, it can reduce the noise. Through the dynamics analysis, the electromagnetic vibration can be calculated and the electromagnetic noise can be calculated by the
16、acoustic radiation model. The 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - III - influence of air gap magnetic field waveform of motor noise is compared, the result show that the proposed optimization measure of rotor can reduce the motor noise. Finally, electromagnetic load ratio directly decided the motor copper loss and ir
17、on loss distribution, which determine the motor efficiency. And the magnetic load directly effect on the radial electromagnetic force, which affect the electromagnetic noise, so the motor efficiency and noise performance constraints to each other. The paper annlysis the influence of electromagnetic
18、loaddistribution and the propoetion of teeth and yoke for loss distribution and electromagnetic noise. Balancing the efficiency and noise of the permanent magnet synchronous motor under two load condition, the best electromagnetic load ratioand the propoetion of teeth and yoke are determined. After
19、motor structure parameters were confirmed, the motor is designed and processed. The no-load and load experiment is done and the results agree with the simulation. Keywords: compressor, permanent magnet motor, loss, electromagnetic force, structural modal, noise 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - IV - 目 录 摘 要 I ABSTR
20、ACT . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景及研究的目的与意义 . 1 1.2 永磁同步电机效率与铁耗计算的研究现状 . 1 1.2.1 高效永磁同步电机的研究现状 . 2 1.2.2 永磁同步电机铁心损耗的研究现状 . 4 1.3 永磁同步电机振动与噪声的研究现状 . 5 1.3.1 永磁电机电磁振动与噪声的研究现状 . 5 1.3.2 永磁电机结构模态的研究现状 . 7 1.4 本课题的研究内容 . 9 第 2 章 永磁同步电机铁心损耗与影响因素分析 . 11 2.1 引言 . 11 2.2 永磁同步电机铁心损耗的研究分析 . 11 2.2.1 永磁同步电机铁心磁场的分析
21、 . 11 2.2.2 考虑旋转磁化的铁心损耗计算模型 . 14 2.2.3 铁耗系数与磁密幅值的变化关系 . 15 2.3 永磁同步电机空载铁心损耗实验 . 16 2.4 永磁同步电机气隙磁场对铁心损耗的影响 . 17 2.5 本章 小结 . 21 第 3 章 永磁同步电机噪声问题的研究 . 23 3.1 引言 . 23 3.2 永磁同步电机径向电磁力的研究分析 . 23 3.2.1 永磁同步电机气隙磁场的分析 . 23 3.2.2 永磁同步电机径向电磁力的解析分析 . 25 3.2.3 永磁同步电机径向电磁力的有限元分析 . 30 3.3 永磁同步电机定子结构模态的研究分析 . 33 3.
22、3.1 永磁同步电机定子铁心的模态分析 . 33 3.3.2 考虑冷媒流通的定子轭部优化设计 . 35 3.4 永磁同步电机电磁振动与噪声的研究分析 . 37 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - V - 3.4.1 永磁同步电机电磁噪声的计算 . 37 3.4.2 永磁同步电机振动位移的计算 . 38 3.4.3 不等 半径分段式转子外圆对电机噪声的影响 . 39 3.5 本章小结 . 41 第 4 章 兼顾效率和噪声的 IPM 设计及分析 43 4.1 引言 . 43 4.2 永磁同步电机主要参数和结构形式的确定 . 43 4.3 永磁电机效率和噪声问题的分析 . 44 4.3 电磁负荷配比
23、对电机效率和噪声的影响 . 48 4.4 定子齿轭尺寸对电机效率和噪声的影响 . 50 4.5 定子 槽型对电机效率和噪声的影响 . 52 4.6 电机结构参数确定及性能分析 . 53 4.7 本章小结 . 55 第 5 章 样机设计与实验测试 . 56 5.1 引言 . 56 5.2 样机空载反电势实验 . 56 5.3 样机负载效率实验 . 57 5.4 本章小结 . 59 结 论 . 60 参考文献 . 62 攻读硕士期间发表的论文及其他成果 . 66 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权 限 . 67 致 谢 . 68 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论
24、 1.1 课题背景及研究的目的与意义 在环境和能源问题愈演愈烈的社会背景下，节能已经成为社会发展所必须 关注的问题。随着生活质量的提高，制冷空调普及度有所增加，据统计 全国范围内制冷空调耗电量占全年耗电量 20%1，压缩机作为制冷空调的重要组成原件，其耗能比例最大，因此，压缩机用电机的节能高效对制冷空调的能效提升具有明显意义。目前，应用于空调压缩机电机主要包括感应电机和永磁同步电机两种，感应电机市场占有率较高，而随着国家能源政策的推动，稀土永磁电机以其高能效比的特点将成为我国空调压缩机用电机的发展趋势。 因此， 研究空调压缩机 用 稀土永磁同步电机 的 损耗 和效率 问题，将对制冷空调行业内
25、的 能效提升有显著意义。 制冷空调 等家电类产品直接面向使用客户，客户的使用需求和性能体验 推动着空调甚 至家电行业的发展。空调噪声问题是最直接的性能 体验 之一，空调外机的压缩机噪声以及由其振动所引起的钣金壳体振动噪声是室外 噪声的主要来源 ，压缩机电机的电磁振动和噪声问题也已成为制冷空调行业内主要关注问题。压缩机的振动和噪声除直接影响空调体验性能外，还将对空调的整体性能造成影响，如使用寿命和运行可靠性等 。 除压缩机 的 效率 性能 外，其电磁振动和噪声也是制冷空调行业内的主要市场竞争指标 。 因此， 有必要研究压缩机用永磁电机的电磁振动和噪声问题。 综上，作为制冷空调压缩机的主要组成部分
26、，稀土永磁同步电机的效率和噪声问题将直接影响产品的性能优劣。对于电机 本体 而言，其噪声和效率 性能 是相互 约束 甚 相互 矛盾 的，压缩机电机需要同时兼顾电机的效率和噪声性能。 因此，本课题研究稀土永磁电机的效率和噪声问题具有实际的应用价值和理论意义。 1.2 永磁同步电机效率与铁耗计算的研究现状 目前，在世界范围内都在致力于高效和超高效率电机的研发工作，在欧美等部分发达国家，高效电机的研发和推广应用多数以法律法规的形式进行推进 和推广 ，高能效标识的电机推广和使用已经成为国家能源和环境保 护的战略性内容 2。我国也积极推进主要能耗设备的效率提升问题，在“十一五”节能中长期专项规划中，对我
27、国主要能耗设备的能效水平做出预期评价，要求达到国际先进水平 3。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 2 - 1.2.1 高效永磁同步电机的 研究现状 国外利用稀土优异的磁化特性研发高效电机至今已经有 30 多年的历史。 1992年，美国威斯康辛教授和意大利都灵理工学者研究非晶合金轴向磁场电机，开发并设计了一台双转子结构轴向电机。该电机铁心由非晶合金绕制而成，避免钢片的冲裁叠压，缩短了生产周期，研究结果表明电机效率更高 4。美国通用电气将铁基 非晶合金应用于电机定子铁心，通过 负载实验电机效率能够 较普通硅钢片电机提高 1%，但是采用损耗分离的方式，电机空载铁心损耗下降 80%5， 说明电机铁
28、心材料采用非晶合金能够显著地减少铁心损耗，但是由于非晶合金物理性能较脆较硬，而且磁性能受应力影响显著，致使加工和制造工艺困难，非晶合金饱和磁密低，工作磁密仅为 1.3T 需要对电机参数进行重新设计。同时，非晶合金是磁滞伸缩系数高于硅钢片，铁心压紧力不能过高，导致非晶合金电机的振动噪声要高于硅钢片电机 6。 1997 年，日本电机工程实验室研发双层内置式永磁电机，如图 1-1 所示，双层永磁体结构能够增加电机 q 轴电导，从而增加磁阻转矩使得转矩增加 10%，电机高效运行区增加，电机在额定运行范围内效率水平达到 93%7。 图 1-1 双层内置式高效永磁电机 2007 年，日本学者对应用于吸尘器
29、的 2 极 1.5kW 永磁电机效率问题进行相关研究，在相同结构尺寸下，比较分析了分布式绕组、集中绕组以及无槽定子铁心对高速永磁电机性能的影响。指出在低频 2000rpm 时，控制三种规格电机定子铜耗相等，集中绕组和分布绕组具有较高的效率值分别为 94.9%和 94.2%，而无槽铁心绕组其输出转矩小，电机效率较低为 79.0%；高频 50000rpm 时，集中绕组和分布式绕组铁心铁耗上升明显，电机效率值下降，而无槽铁心铁耗小，电机效率上升至 95.6%8。 2008 年，韩国学者设计研发一种应用于高速飞轮储能系 统的 30kW/4 极哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 3 - Halbach
30、结构双转子永磁电机，电机模型如图 1-2 所示，定子绕组位于内外双层Halbach 永磁体阵列之间，定子绕组采用无铁心结构，该电机 轴伸 长度为 50mm，外转子外径为 109mm，内转子内径为 28mm，绕组和气隙直径为 33.5mm，双层永磁提厚度分别为 10mm 和 15mm。该电机结构利用 Halbach 永磁体阵列的自身屏蔽效应，转子铁心不易饱和，转子轭部设计尺寸合理，并在气隙磁场内产生高度正弦的分布磁场。定子无铁心绕组，使得电机空载铁心损耗被大幅度削弱，电机效率得以提升 9。 图 1-2 Halbach 结构双转子永磁电机 我国沈阳工业大学研发高效稀土永磁电机较早，并取得一定成果，
31、开发和设计了我 国 首台 4kW/4 极稀土钴永磁电机和 1.1kW/6 极钕铁硼永磁电机，性能提升明显，并在此基础上 研发 一 系列高效永磁电机 10。国内，针对油田用电机负载特性，在减小机座号的条件下，研发高启动转矩高效电机系列如图 1-3 所示，该系列电机在额定工作点时具有高效率和高功率因数，并且在轻载时也具有较优 的性能参数，应用于油田抽油机时可以节约 20%左右的用电量 11。 图 1-3 抽油机用高效高永磁电机 2007 年，沈阳工业大学学者利用粒子群算法对纺纱用异步启动永磁电机进行效率优化，主要对极弧系数以及转子磁钢进行寻优处理，优化后电机用铜量和永磁体用量均略微减少，电机效率达
32、到 92.3%，较优化前增加 0.7%12。 2008 年，哈尔滨工业大学采用日本高性能硅钢片研发 750W 高效永磁同步电哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 4 - 机，该电机采用 10 极 12 槽配合，轴向长度 80mm，外径 120mm，电机运行效率高达 94.7%13。 国内市场上，在高效永磁电机研发方面，出于提高槽满率和节约硅钢片材料等方面的考虑，提出拼块式定子铁心和铰链式定子铁心分别如图 1-4 所示。 铰链式铁心和拼块式铁心，能够节省电机硅钢材料，方便绕组下线，槽满率较高。拼块式铁心电机磁路受拼装方式影响不理想，铁损较整块式铁心高，振动噪声有所增加，刚性较差；铰链式铁心电机磁路
33、优于拼块式铁心，但是加工工艺要求高，制作难度大，刚性略差于整体式铁心 14。在保证加工工艺的情况下，拼块式铁心和铰链式铁心均能够提高电机效率。 a) 拼块式铁心 b) 铰 链式铁心 图 1-4 拼块式和铰链式定子铁心 1.2.2 永磁同步电机铁心损耗的研究现状 对于永磁同步电机而言，铁心损耗是电机的主要损耗之一，分析影响电机铁心损耗的相关因素对电机效率的提高以及电机性能的提升有重要意义。电机铁心损耗的产生机理复杂，影响因素较多，因此，铁心损耗的计算一直是电机行业内的研究热点 15。 目前，基于有限元计算的铁耗模型一般是基于由 Bertotti 提出的经典铁耗分离模型。在该模型中将由随时间和空间
34、变化的磁场在电机铁心中产生的损耗按产生机理不同分为涡流损耗、磁滞损耗以及附加损耗 16。其中，磁滞损耗是由于电机铁心在磁场中被反复的磁 化，包括交变磁化和旋转磁化，磁畴之间相互摩擦所造成的能量损失；涡流损耗是由于电机铁心出于变化的磁场内，磁通发生变化，在电机铁心中产生感应电势，硅钢片的导电特性，进行在铁心内部引起环流，产生涡流损耗；除铁心的磁滞损耗和涡流损耗外，由磁畴位移和磁化旋转引起的非各哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 5 - 向同性应变场变化而产生滞后时，所产生的磁滞余效和共振引起的损耗 17。在该铁耗 模型的基础上， Fiorillo F 等人考虑铁心的交变磁化过程，提出了基于非正弦
35、谐波磁场的修正铁耗计算模型 18。在正弦交变磁场下，还有学者提出 两 项式铁耗计算模型，该模型将附加损耗以原子磁矩变化所消耗的能量分别计入到磁滞和涡流项，原理是相同的。 实际上，旋转电机铁心内的磁场除交变磁场外，还存在着旋转磁化作用，在电机定子轭部磁密为 1T1.5T 时，由旋转磁化所产生的铁心损耗将要高于交变磁化产生的铁心损耗 45%-65%，因此旋转磁化对电机铁耗的影响在铁耗计算中必须给予考虑。朱建国等人在结合多次试验测量数据的情况下，提出了应用于椭圆形旋转磁场的铁耗计算模型，经过测试证明利用该模型进行计算和铁心损耗测试值相差在 10%左右，准确率较高 19。利用椭圆形铁耗模型时，需要得到
36、铁心在圆形旋转磁化和正弦磁场下的铁耗系数，硅钢片厂商目前只提供交变磁化下的铁耗数据，而圆形磁化下的铁耗系数不易拟合获得，限制该模型的使用和推广 20。 国内，东南大学学者黄允凯等人在 2007 年提出利用 两 个相互正交的交变磁场近似等效旋转磁化效应，这样可以利用交变磁化下的损耗数据拟合铁耗系数采用正交分解的铁耗模型进行计算，文中分别对 4 种交变磁化下的铁耗计算结果进行比较，指出正交分解的铁耗计算方法更接近实际测试值 21。 2011 年，哈尔滨工业大学江善林等人，在研究高速永磁同步电机铁耗计算时，在考虑电机旋转磁化的基础上， 研究分析了 电机频率对损耗系数的影响，指出当电机频率变化时，磁滞
37、损耗系数和附加损耗系数的变化波动不大，而受高频导致的趋肤效应影响，涡流损耗系数变化较大，并对涡流损耗系数做出修正，进而提出了考虑趋肤效应和旋转磁化的铁耗模型，并在文中分析了充磁方向和磁钢斜边角对电机铁耗的影响 22。 1.3 永磁同步电机振动与噪声的研究现状 稀土永磁同步电机的电磁振动与电磁噪声问题日益受到重视，国内外学者围绕电磁振动与噪声问题进行许多分析和研究，从电机振动和噪声的产生机理进行推导分析，总结出许多具有参考价值的理论与方法，具有很高的参考价值。关于永磁同步电机振动与噪声问题的研究现状主要集中在以下方面： 1.3.1 永磁电机 电磁振动与噪声的研究现状 永磁电机随空间和时间变化的径
38、向电磁力是引起电磁振动与噪声起因，径向电磁力的求解涉及到电机气隙磁场分布，目前关于电磁力的计算主要分为解析计哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 6 - 算和利用有限元进行计算。早在 20 世纪 80 年代，英国博士 S.J.Yang 利用解析的方法，从磁势和磁导推导了气隙磁场，进一步分析由气隙磁场谐波产生的电磁力波，计算简单但是分析精度较低，无法计入开槽、饱和以及转子运动等对 电磁力的影响。到 90 年代， G.Reyne 等人利用有限元软件分析研究了稀土永磁同步电机的径向电磁力的分布情况，重点研究了定子槽口和电机饱和现象对径向电磁力的影响 23。日本松下公司，研究冰箱压缩机用永磁电机噪声的产
39、生原因，指出集中绕组的端部短，其损耗低于分布式绕组，但是振动噪声大；减 小电机的电磁噪声可以采用增加永磁电机气隙长度的方法，增加气隙长度可以使电机的磁密降低，径向电磁力幅值将被削弱，同时径向电磁力变得平滑，从而减少噪声；内置式电机转子涡流损耗要小于表贴式电机，但噪声大于表贴式电机 24。 美国 Rakib Islam 等人对永磁同步电机的电磁振动与噪声问题进行相关分析研究，表明气隙磁场产生的切向电磁力波会产生转矩波动， 对电机噪声的影响不大；而径向电磁力是使电机产生振动的主要原因 25。日本学者 Yoshinari Asano 等学者经过分析指出，集中绕组电机的噪声要高于分布式电机，其原因是集
40、中绕组的局部径向电磁力要大于分布式绕组电机， 进而电机定子铁心变形位移大，引起的电磁噪声较高 24。 D.H.Cho 提出利用变压器模型计算感应电机电 磁 力波，结果表明，在计算空载感应电机的径向电磁力时精度较高，负载时计算准确性稍差 26。美国M.N.Anwar 研究了开关磁阻电机的瞬态电磁场，计算了作用在定子铁心内层面的径向电磁力波，并通过傅里叶分析研究其各系谐波以及频率等 27。 Lee.S 等人从优化电机定子冲片的角度对降低电机噪声进行研究，分别对内置式永磁电机的定子齿宽、肩角高度、槽底尺寸和定子轭高等尺寸进行优化设计，从提高电机定子刚度和稳定性的方面进行电机噪声抑制 28。 Zark
41、o.D 等人对永磁电机的气隙磁导函数做了改进，文中通过保角变换给出复相对磁导函数的计算方法 ,利用文中方法计算得到的径向和切向磁密准确度较高 29。 德国学者 F.Taegen 等人分离径向电磁力的时间谐波对永磁同步电机电磁振动与噪声的影响，提出可以通过增加电机定子相数的手段减少径向电磁力，并通过实验加以验证 30。意大利学者 D.Parente 分析永磁直流电机二维电磁场分布情况，利用麦克斯韦应力法和虚功计算电磁力进而得到电磁噪声，指出通过优化 转子磁钢形状永磁体两端削减为菱形，能够有效降低电机的转矩波动，并使噪声下降 31。罗马 J.A.Guemes 等人研究了集中绕组永磁电机的齿槽转矩以
42、及转矩脉动问题，文中指出定转子的极槽配合以及定子绕组的形式对齿槽转矩、电机噪声以及转矩脉动影响显著 32。 国内，哈尔滨工业大学陈磊等人对无刷直流电机的电磁振动和电磁噪声问题哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 7 - 进行研究分析，文中比较分析了 9 槽电机在 6、 8、 10 和 12 极下的噪声情况，指出受极槽配合影响， 8 极和 10 极 9 槽电机在绕组分布上由临近的 3 槽构成一相绕组，电机负载时将产生不平衡磁拉力，对噪声产生影响，并对这两种极槽配合下的不平衡磁拉力进行定量分析，指出 9 槽 10 极电机和 9 槽 8 极电机具有相同的绕组系数，但是 9 槽 10 极电机的径向电磁力
43、、电磁振动 和噪声均优于 9 槽 8 极电机33。浙江大学杨浩东等人针对分数槽永磁同步电机的振动和噪声问题，提出通过定子绕组注入补偿电流的方式消除低阶空间电磁力波，从而抑制分数槽永磁同步电机的噪声问题，文中指出通过注入谐波电流会有效降低电机噪声，但是注入补偿电流后会导致电机转矩常 数变化，转矩波动会有所降低，同时，电流谐波补偿后在相同转矩时定子电流会增加，电机铜耗增加，而补偿电流后，电机磁场削弱电机铁耗降低 34。 山东大学学者张冉研究了表面式永磁电机的径向电磁力问题，文中研究了电机极弧系数以及转子外形等参数对径向电磁力的影响，并提出基于磁极偏心的永磁电机电磁力的抑制方法，同时，文中也研究定子
44、开辅助槽的方式来抑制电磁噪声 35，辅助槽电机能够降低噪声的原理是通过开辅助槽改变电机气隙磁密分布，相当于改变电机的定子槽数，从而削除低阶数径向电磁力，抑制噪声 36。哈尔滨工业大学代颖研究电动车用感应电机的噪声问题，文中从电机模态和电磁力两方面分析了感应电机噪声问题，提出抑制噪声的优化设计方法，分析了不同槽配合的感应电机的噪声特性，指出通过合理的选择感应电机定转子槽数可以消除特 定次数电磁力，降噪效果明显 37。 1.3.2 永 磁电机结构模态的研究现状 电机定子系统的固有模态频率是研究电磁振动与噪声时需要考虑的另一主要性能指标，因此研究电机相关结构参数对定子模态的影响具有重要价值。模态分析
45、是将系统辨别方法在机械振动和噪声等领域中的实际应用，是近代结构动力学中分析结构动力特性的一种方法。电机定子系统的固有频率可以通过解析计算获得，对于结构较为复杂的机械结构可以采用有限元的计算方法，也可以采用敲击实验获得。 国内外学者对电机定子系统的结构模态进行许多有理论价值和实际应用价值的研究。早期 Den Hartog 等人提出利用单环型机电类比法计算电机定子铁心的固有模态，研究中将电机定子铁心等效为一单层圆环，定子绕组和齿部对模态频率的影响以附加质量的方式来计入。然而，单环型机电类比法无法考虑机壳对电机哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 8 - 定子固有模态的影响，因此， Erdelyi 等
46、人在单环机电类比法的基础上提出了双环型机电类比法，用以分析机壳对电机定子系统的影响，随后陆续有许多学者 对双环机电类比法进行改进和完善 38。无论是单环还是双环的机电类比法，都能够通过对规则几何形状的电机结构进行分析计算，能够满足一般工程上的需求，但是当需要考虑绕组、复杂结构系统以及端盖的结构的模态频率时，计算误差较大，因而，目前对电机模态的研究分析往往采用模态综合技术和有限元等方法。 Jason D.Ede 等学者利用实验和有限元的方法研究了高速无刷电机转子的模态频率，分析电机转子的材料特性以及物理特性对其模态频率的影响 39。 1992 年，M.E.H 等人对永磁同步电机定子系统的模态问题
47、进行研究，在研究中采用有限元的方法进行分析，在文中比较分析了 4 种 电机定子系统的等效模型对定子振型及频率的影响， 4 种等效模型分别为定子铁心等效为定子轭环、考虑定子齿部的定子铁心、考虑定子绕组的定子铁心以及考虑定子槽楔的定子铁心，文中分析结果表明：绕组浸漆后能够提高定子系统各阶振型的固有频率，在高阶时，定子齿部作为附加质量的计算方法误差较大。 2001 年， S.A Long 等人采用有限元的方法研究开关磁阻电机的固有模态问题，文中分析了定子绕组以及电机用硅钢片的材料特性对开关磁阻电机的固有频率以及各阶振型的影响，并采取锤击实验对理论分析进行验证，文中指出将绕组以附加质量的方式计入电机定
48、子铁心的计算方式误差较大，忽略绕组端部和 不计入绕组对电机定子系统的影响较小 40。 2004 年，韩国 Hong-Seok 等学者利用锤击实验研究洗衣机用内置式永磁同步电机电磁振动和噪声问题，分别从电机模态频率、模态振型和电磁力波的进行分析研究 41。 我国浙江大学 1995 年起研究磁阻电机调 速系统的电磁噪声问题，在模态分析方面，提出利用能量法计算开关磁阻电机的固有频率 42，但是利用能量法进行模态分析时，无法考虑电机结构形式，如机壳和铁心的配合方式。 2004 年，浙江大学吴建华基于开关磁阻电机的电磁噪声问题进行进一步研究，开关磁阻电机电磁振动是引起电机噪声的主要原因，电磁噪声约占总噪
49、声的 95%，文中以 750W 四相开关磁阻电机为研究对象，利用三维有限元模型研究电机定子的结构模态和频率，主要分析了绕组等效形式、端盖以及定子部件的配合形式对电机定子各阶振型和频率的影响，并通过实验进行比较分析 43。 2005 华中科技孙剑波等人也对 SR电机的定子模态分析进行研究，文中主要利用三维有限元研究考虑电机散热筋 对定子固有频率的影响 ， 文中表明 轴向 分布的 散热筋 会降低高阶固有频率， 对 低阶固有频率影响较小；而周向散热筋能够提高高阶振型的固有频率，但是对低阶频率影响不大。 2007 年，沈阳工业大学王凤翔等人研究大型感应电机定子振动问题，哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 9 - 主要研究定子冲片结构以及绕组对大型感应电机定子系统振动模态和固有频率的影响，文中指出定子绕组的弹性模量低于铜材料，因此应对漆包线的弹性模量重新计算；端部绕组的刚度和质量对定子铁心振型和频率的影响基本可以相互抵消，端部绕组忽略不计 44。 2013 年，哈尔滨工业大学代颖 就空调压
