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01

根據聲輻射原理，永磁直流電機只有定子符合聲輻射元件的要求，即薄壁大平面的條件，所以永磁直流電機定子為主要的聲輻射元件，無論是轉子還是定子中的電磁力都需要通過定子來輻射電磁噪聲。

產生振動噪聲需要激振力和相應的應變，對于圓筒永磁直流電機，存在定子電磁徑向力和切向力兩種電磁激振力，由于在固有頻率上的振動噪聲響應最大，所以是否有相應方向上的應變響應還需要對定子本身結構特性進行模態分析。

在進行模態分析前首先介紹模態分析即固有頻率階次的定義，以區別電磁激振力中的階次，模態是結構系統的固有振動特性，線性系統的自由振動被解耦合為 N 個正交的單自由度振動系統，對應系統的 N 個模態。將線性系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，使方程組解耦，成為一組以模態坐標及模態參數描述的獨立方程，以便求出系統的模態參數。坐標變換的矩陣為模態矩陣，有限元模態分析的本質是求該矩陣的特征值問題，所以階數就是指特征值的個數，將特征值從小到大排列就是階次。

由于實際的電機定子有無數個階次，其模態也是無數個，但對振動噪聲響應較大的主要是前幾階的模態。

圓方一階振動模態表明圓方永磁電機電磁徑向力會產生相應方向的應力和應變，從而產生相應的振動和噪聲。與圓筒電機不同的是，圓方永磁直流電機電磁切向力也會在圓方鐵殼上施加相應方向的應力，在此應力的作用下可能產生相應方向的應變，從而產生相應的振動和噪聲。

綜上所述，對于圓筒永磁直流電機，存在電磁徑向力和切向力，且模態響應在徑向力的方向占主要成分，對于圓方永磁直流電機，在電磁徑向力和切向力方向均存在相應方向的模態階次，所以電磁徑向力和切向力共同產生了電機的噪聲。但是以上分析只能定性的對電機的噪聲根源進行預測，如果定量及確定電機的噪聲根源尚需進一步詳細的理論、有限元及實驗研究。

02

依次經過以下各步驟進行仿真分析：

• 電機定子電磁徑向力和切向力分析

• 不考慮齒槽效應的氣隙磁密

• 考慮齒槽影響的氣隙磁密及電磁力

• 考慮齒槽影響的氣隙磁密徑向分量及切向分量

• 考慮電樞反應的氣隙磁密及電磁力

• 電磁徑切向力密度及其分量分析

• 圓方電機振動波和聲輻射

• 圓方電機定子電磁力噪聲仿真分析

• 定子電磁力有限元分析

• 電磁振動諧響應分析

• 圓方永磁電機一階振動模態有限元分析

• 圓方永磁電機二階振動模態有限元分析

• 電磁聲輻射有限元分析

 由模態分析可知，電機的第一階固有頻率(5303Hz)，第二階固有頻率(6186Hz)。由理論、模態和電磁力有限元分析結果可知，42 階電磁徑向力可能是產生一階噪聲的主要根源，56 階電磁切向力可能是產生二階噪聲的主要根源，為進一步驗證該結論，分別將電磁力有限元仿真得到的 42 和 56 階電磁徑切向力施加到第一、二階固有頻率上，進行仿真分析。 

03

      雖然已經對定子電磁力與噪聲的關系進行了系統研究，但為了進一步分析電機噪聲與電磁力之間的關系，必須對轉子電磁力與噪聲的關系進行理論、仿真及實驗研究。傳統的圓筒電機轉子的電磁徑向力是其噪聲的主要根源，對于圓方電機其定子結構不同，但轉子結構與傳統電機類似，本文對比分析兩種電機噪聲與轉子電磁力之間的關系。

首先建立轉子電磁力的理論模型，在此模型基礎上，提出并建立了圓方永磁電機的轉子電磁力，模態及諧響應有限元模型，證明轉子電磁徑向力的 14階次諧波激發了轉子第一階彎曲固有頻率的共振，轉子轉矩脈動及其28 階諧波未激發扭轉固有頻率共振，且對彎曲固有頻率振動的影響相對于徑向力可以忽略，利用有限元方法去印證圓方永磁電機的振動噪聲的主要根源是轉子電磁徑向力及其諧波。通過實驗驗證轉子電磁徑向力的 14 階次諧波激發轉子第一階彎曲固有頻率的共振，轉子轉矩脈動及其 28 階次諧波未激發扭轉固有頻率共振，印證有限元分析的結果，即圓方永磁電機在一階固有頻率點的振動噪聲主要根源是電機轉子的徑向力及其諧波。

      本文摘編自齊發云博士論文的部分段落，供大家學習研究。論文所有版權歸齊發云及其授權人所有。特此聲明。