永磁同步电主轴控制策略和设计参数对噪声影响的研究

发布时间：2016-08-04 09:53

第 1 章 绪论 

1.1 课题研究背景和目的 
本课题的来源主要是国家自然科学基金项目“高精度数控机床永磁同步电主轴转矩脉动和振动噪声削弱方法研究”（项目编号：51175350）与沈阳市科技计划项目“高档数控机床永磁同步电主轴电磁振动抑制方法研究”（项目编号：F15-199-1-13）。本课题将着重研究永磁同步电主轴结构参数对电主轴的齿槽转矩与振动噪声的影响。 当今现代社会的迅速发展以及人们对物质生活需求的不断提高，致使各种交通运输工具、家用电器以及机器设备等现代化工具越来越多，而电机作为目前市场上应用最多的驱动设备。从电能消耗的角度出发，当前大量的电能几乎全由各种电机消耗；另一方面，当前众多数机械设备的运转都是通过电机去驱动完成的，在很多的行业中，电机是无所不存在的，众多数行业都是靠电机作为驱动去带动的[1]。和传统的电机相比，永磁同步电机具有以下优点：结构简单、运行可靠、调速方便、转矩密度高、效率高、损耗小等，正是由于具有这些优点，使得永磁同步电机已经被广泛应用于工业、农业等各个领域[2]。 近年来，世界各国对电机转矩的稳定输出、电机振动噪声等级等方面提出了越来越严格的要求，尤其是在电机的振动噪声方面，并且在其它性能同等的情况下，振动噪声的大小是作为评价电机性能的重要标志。若能使电机在设计制造阶段具有较低的振动噪声等级，不但可以提高工业精度，而且还会提高产品的质量指标，也会减小噪声对环境的污染[3]。 电机自身结构与不同控制策略对振动噪声影响也是较大，现在很多国内外学者研究电机的振动噪声都是电机的机械结构和变频器供电的角度出发。若能有效地识别出电机噪声源，然后采取相应的对策抑制电机的振动噪声，便能有效地减小噪声对电机的影响[4]。 
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1.2 课题研究国内外研究现状及方法 
关于对永磁同步电机噪声源的理论与实践方面的研究，国内外有众多学者在这方面做了很多的贡献。研究的主要动态包括下面几个方向。 1.2.1 永磁同步电机电磁噪声和振动特性研究分析 1950 年，第一本有关电机噪声计算的书籍出现，Heller 与 Hamata 两位学者非常详细的研究了感应电机的振动噪声和谐波转矩。 1974 年，前苏联学者 Shubov、KWasnicki 与 Astakhov 最开始从电磁噪声、机械噪声、空气动力学噪声这三方面分析了三种不同的电机产生振动与噪声的主要原因，这三种电机分别为直流电机、同步电机和感应电机，创建了振动与噪声的计算方法，并且说明了电机振动噪声主要是由气隙磁场形成的电磁激振力波及其谐波幅值对电机结构激振产生的[6-9]。 1993 年，欧洲的著名学者诸自强教授进行了深入的研究在永磁同步电机振动与噪声方面，采用数学解析的方法算出表贴式无刷永磁直流电机在四种情况条件下的瞬态磁场分布情况，这四种情况分为：a）开路场、b）电枢反应场、c）定子齿槽效应、d）负载下的合成磁场。对这四种情况的磁场分析结果为以后研究表贴式永磁无刷直流电机径向电磁力的计算奠定了理论基础[10-13]。同时以此作为理论研究基础，计算表贴式无刷永磁无刷直流电机的电磁噪声[14]。利用该模型分析气隙长度、定子开辅助槽和不同负载对电机的电磁场所产生的影响，指出：（1）对于空载运行的定子开辅助槽的电机，径向电磁力波中存在着低阶分量，虽然径向电磁力波幅值很小，但是如果不将齿槽效应的解析式考虑进去，便无法计算出低阶力波幅值；（2）同样当电机负载运行时，如果不将齿槽效应的解析数学模型考虑进去，便无法求取出低阶力波幅值，因为低阶分量主要是取决于永磁同步电机极槽配合；（3）气隙磁通密度中的谐波成分含量与气隙长度的大小无关，则在计算径向电磁力波时，因此通常情况都是用中间气隙的气隙磁通密度代替定子齿表面气隙的气隙磁通密度；（4）采用麦克斯韦方法计算径向电磁力波时，可以不考虑磁通密度的切向分量，同样具有较高的可靠性。 
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第 2 章 永磁同步电主轴气隙磁场理论基础 

2.1 电主轴气隙磁场的建立 
通过气隙磁导与气隙磁动势之间的相互联系以及相互作用推导出径向电磁力的函数关系表达式。当考虑定子开辅助槽与转子偏心的情况时，永磁同步电主轴的定、转子建立气隙磁场的过程如下：将三相对称电枢电流通入定子槽绕组中，则会使得形成气隙磁压降，并且利用气隙磁压降与气隙磁导之间的相互作用，形成气隙磁场[49]。通过长久以来的理论和实验研究结果表明，在电主轴的三类噪声中，电磁噪声是主要的噪声源，对整个电主轴噪声的影响是最大的。目前有关永磁同步电主轴振动与噪声的研究，国内外大多数的文献都是集中在计算电磁力波对电主轴振动与噪声所产生的影响中，并没有考虑其他因素对其影响，但电主轴能量中只有极其微弱的部分能量转化为声能，并且永磁同步电主轴结构极为复杂，如机壳、端盖以及零件之间的配合公差的存在，便使得电主轴产生机械振动的参数难以精确计算。尽管是在消声室中做电主轴的噪声测试实验，所测得的声功率级包括电磁噪声、机械噪声与空气动力噪声等噪声成分，通常不易区分出电主轴所产生噪声成分。因电磁振动主要是由电磁力激振定子齿所引起的，因此电磁力是电主轴振动与噪声的主要根源，其计算与分析结果对于研究电主轴振动与噪声具有重大的意义。 
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2.2 电主轴定、转子绕组的磁势 
从公式（2.13）中可以得知，电主轴的气隙磁密是由气隙磁动势与气隙磁导之间的相互乘积所确定的。根据参考外文相关书籍可知，电主轴的气隙磁动势主要是由定子基波磁动势、定子谐波磁动势与转子谐波磁动势之间的相互叠加可得，本章主要是通过理论推导出电主轴气隙磁场的公式，进一步去推导定、转子绕组的磁势，根据所推导出的理论公式可得知气隙磁场与电主轴结构之间的关系，为后续的研究电主轴振动与噪声、转矩脉动奠定坚实的理论基础。 
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第 3 章 结构参数对永磁同步电主轴齿槽转矩的影响 .... 17 
3.1  永磁体大小和分布对齿槽转矩的影响 ......... 17 
3.1.1  永磁体大小对齿槽转矩的影响 .... 19 
3.1.2 永磁体分布对齿槽转矩的影响 .... 21 
3.2  转子结构对永磁同步电主轴转矩脉动的影响 ..... 23 
3.3  气隙形状对永磁同步电主轴齿槽转矩的影响 ..... 27 
3.4 本章小结 ....... 31 
第 4 章 永磁同步电主轴正弦供电与变频供电的磁场分析 .... 32
4.1  正弦供电永磁同步电主轴二维磁场有限元分析.......... 32
4.2  额定负载变频器供电永磁电主轴二维磁场有限元计算 ...... 37 
4.3  本章小结 ....... 42
第 5 章 变频器控制下永磁同步电主轴的振动与噪声分析 .... 43 
5.1  永磁同步电主轴的仿真模态与实验对比分析 ...... 43 
5.2  永磁同步电主轴实测振动噪声频率分析 ..... 45
5.3  不同控制频率下的噪声对比 ......... 50 
5.4  本章小结 ....... 51 

第 5 章 变频器控制下永磁同步电主轴的振动与噪声分析 

本章主要是对电主轴整体进行实验模态分析，同时也进行有限元仿真，比较仿真数据与实验数据，验证了仿真的可行性与可靠性。之后对电主轴振动噪声的实验数据进行分析，研究出对应振动噪声的来源，并且对电主轴在 3kHz 载频下的空载与额定负载的振动噪声进行研究。同时研究实测开关频率与转速和噪声值之间的关系，发现其规律特性。 

5.1 永磁同步电主轴的仿真模态与实验对比分析 

对电主轴振动与噪声的研究，其中对其进行模态分析是非常关键的步骤。模态的实质是电主轴结构做简谐振动，既电主轴整个机械统中的各点以特定的频率振动。当径向电磁力频率与电主轴的固有频率接近或者相等时，将会引起电主轴产生共振。即使较小的径向电磁力频率也会使得电主轴产生较大的振动。 首先利用 SolidWorks 建立电主轴的三维有限元模型，，导入 AnsysWorkbench 对其进行模态有限元仿真，考虑到计算速度，建模时将螺钉、螺母、电主轴风罩等小型原件，利用等质量法将其质量分别加载电主轴其他部件上，这样不但可以提高计算速度，还能提高计算可靠性与精确度。同时将结果与利用丹麦 BK 软件做实验的数据进行对比。 本文在计算注塑机用永磁电主轴模态时，将采用适合与提取大模型的多阶模态的Block  Lanzcos 计算法。在计算模态时对电主轴不施加任何约束，因为在做实验时，对电主轴是进行悬空测试其模态频率，因此为了保持与实验情况一致仿真时，也不需要对其进行约束。图 5.1 为计算得到的电主轴模态时，提取出的部分模态振型。 从图 5.1 中可以看出电主轴的前后端盖和机壳的振动变形最为明显，这是因为这些位置处的刚度相对于其他部分较小。特别是当径向电磁力作用在定子齿内表面上，会引起电主轴的强烈振动，并产生向外辐射的噪声。 利用丹麦BK软件对电主轴整体进行模态测试，图5.2表示测试的固有频率频显图。采用丹麦 BK 后台处理软件提取出其固有频率值。表 5.1 为通过有限元计算得到永磁电主轴的模态固有频率与实测模态固有频率对比表。 

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结论 

本文主要以表贴式 4 极 6 槽永磁同步电主轴、表贴式 4 极 48 槽永磁同步电主轴、内置式 4 极 6 槽永磁同步电主轴作为研究对象，研究电主轴结构参数影响齿槽转矩的变化规律；同时以一台 68kW 的 8 极 36 槽永磁同步电主轴为例，对其电磁场进行分析，并且同时利用丹麦 BK 对其进行模态、振动与噪声实验分析验证。 根据对以上论文的研究内容，本文研究永磁同步电主轴结构参数与控制策略对振动噪声的影响，取得的主要成果如下：通过 ANSYS 分析电主轴磁场，提出了三种有效抑制齿槽转矩的方法。第一种是针对表贴式 4极 48 槽永磁同步电主轴，研究永磁体大小和永磁体分布对齿槽转矩的影响，得出最佳的永磁体包角和永磁体分布角度；第二种是对内置式 4 极 6 槽永磁同步电主轴，分析转子结构对电主轴气隙磁场的影响，分析出最佳的转子结构形状参数，从而达到降低齿槽转矩的可行性；第三种是针对表贴式 4 极 6 槽永磁同步电主轴，分析气隙形状对齿槽转矩的影响进行研究，研究结果发现：通过改变最长气隙长度与偏移位置角度，对电主轴的额定转矩没有影响，但是对齿槽转矩却能起到很好的削弱作用，并且设计出最佳的最长气隙长度和偏移位置角度。利用 ANSYS 计算出正弦波电流和变频器供电电流对 68kW 的 8 极 36 槽电主轴进行有限元仿真分析，并利用瞬态法计算出永磁同步电主轴中随位置与时间变化的径向电磁力和切向电磁力，并以此为基础，利用软件编程对其进行频谱分析和谐波分析，发现电主轴通入变频器供电的电流分析永磁同步电主轴磁场时，在电磁力的频谱中会增加一些由于开关频率调制所产生的频率成分。 
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参考文献(略)

本文编号：84488