变频供电感应电机电磁振动研究

发布时间：2018-01-16 08:16

  本文关键词：变频供电感应电机电磁振动研究　出处：《武汉大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：感应电机的变频调速大大拓宽了感应电机的应用面,但也极大提高了其振动噪声的控制技术难度,成为变频调速感应电机的技术瓶颈问题,尤其是要求低振动噪声的应用场合。 电磁激振力、空气流体及机械摩擦是引起电机振动噪声三大主要的宏观因素。当电机转速提高时,空气流体及机械摩擦是引起振动噪声加剧的主要因素。电磁激振力则受电机齿槽结构、铁磁材料、转子同心度等众多因素的影响,尤其对于变频调速感应电机,定子电流谐波含有大量的高次谐波,成为振动噪声分析的技术难点。对于变频供电感应电机的减振降噪,现阶段主要从两个方面进行研究,一方面是电机本体的电磁及结构设计,另一方面则是变频器控制策略。 本课题来源于国防科技工业局科技项目。本文以感应电机本体的电磁、结构分析为研究重点,从三个方面对变频供电感应电机电磁振动展丌深入研究。一是利用解析法推导电压源、磁通密度、电磁激振力及振动的关系,尤其是变频供电引起的高次谐波对电机振动产生的影响。二是采用数值计算法,对变频供电条件下感应电机端部、本体进行瞬态磁场分析,讨论电磁激振力中频谱分和特征,研究电磁激振力作用于定子铁芯对振动产生的影响。三是,采用实验法验证解析法与数值计算法的正确性。 本文研究内容主要包括以下几个部分： 第一部分对电磁力的计算方法进行了简单的介绍,主要包括洛伦兹力法、麦克斯韦应力张量法及虚位移法。其次,根据经典的麦克斯韦应力张量法对电磁噪声的主要振动源——径向电磁力进行研究。最后,分别推导了正弦供电和变频供电条件下的径向电磁力的计算方法。 第二部分采用数值计算法对变频供电端部磁场进行研究,以往研究通常采用等效法进行处理,即通过实验去获取定子绕组中的电流,将其加载到端部绕组中,进行瞬态计算。该方法可以避免考虑转子旋转引起3维运动涡流场问题,但是在测量过程中不可避免存在误差。为此,本文自行设计了一款专用于船用推进动力装置电磁振动分析的实验样机,采用三维场路耦合时步有限元法,考虑转子旋转的影响,联立电磁场方程、电路方程及转子运动方程,直接加载电压源求解瞬态端部磁场,对比变频供电端部磁场测量结果,推断出变频供电端部磁场的频谱特征。 第三部分采用二维场路耦合时步有限元法处理变频供电感应电机本体电磁激振力的计算问题,包括径向电磁力和切向电磁力。对振动影响较大的径向电磁力进行了重点研究。首先,分析了正弦供电与变频供电中定子线电压、定子相电流、径向电磁力的频率特征的异同。其次,验证了径向电磁力频谱中的槽频成分。再次,讨论了不同负载对定子线电压、定子相电流、径向电磁力的频率的影响。最后,分析了开关频率对径向电磁力的影响。 第四部分对变频供电感应电机的定子振动特性进行了分析,提出了一种瞬态磁—结构间接耦合法处理随时空变化的非正弦电磁力引起的定子铁芯振动响应问题,通过对比实验测量的振动加速度频谱特征,验证了该方法的可行性。最后,对中等功率异步电机进行了电磁振动实验研究,获取的试验数据可用于异步电机参数匹配性研究,进而为低噪声异步电机的设计提供参考,指导工程设计。
[Abstract]:The variable frequency speed regulation of the induction motor greatly widens the application surface of the induction motor , but also greatly improves the technical difficulty of the vibration noise of the induction motor , and becomes the technical bottleneck problem of the variable frequency speed regulation induction motor , in particular to the application occasions requiring low vibration noise . Electromagnetic excitation force , air fluid and mechanical friction are the main macroscopic factors which cause the vibration noise of the motor . When the rotating speed of the motor is increased , the air fluid and the mechanical friction are the main factors that cause the vibration noise to increase . Especially for the variable - frequency speed - regulating induction motor , the stator current harmonics contain a lot of high - order harmonics and become the technical difficulties of the vibration noise analysis . Based on the analysis of the electromagnetic and structural analysis of induction motor body , this paper studies the electromagnetic vibration of induction motor by means of analytical method . The first is to use the analytical method to derive the influence of voltage source , magnetic flux density , electromagnetic excitation force and vibration . The contents of this paper mainly include the following parts : The first part introduces the calculation method of electromagnetic force , mainly including Lorentz force method , Maxwell stress tensor method and virtual displacement method . Secondly , according to the classical Maxwell stress tensor method , the main vibration source _ radial electromagnetic force of electromagnetic noise is studied . Finally , the calculation method of radial electromagnetic force under sinusoidal power supply and variable frequency power supply is deduced respectively . The second part adopts the numerical calculation method to study the magnetic field of the variable - frequency power supply end part . In the past research , the current in the stator winding is obtained by experiments , and the transient calculation is carried out . The third part deals with the calculation of electromagnetic exciting force of variable - frequency power supply induction motor by using two - dimensional field coupling , including radial electromagnetic force and tangential electromagnetic force . The radial electromagnetic force is studied . Firstly , the influence of different loads on the frequency of stator line voltage , stator phase current and radial electromagnetic force is analyzed . Finally , the influence of different load on the radial electromagnetic force is analyzed . The fourth part analyzes the stator vibration characteristics of the variable frequency power supply induction motor , and puts forward a transient magnetic - structure indirect coupling method to deal with the vibration response of the stator iron core caused by the non - sinusoidal electromagnetic force at any time .

【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM346

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本文编号：1432285