电源谐波对永磁同步电机振动的影响研究

摘要

高转速、大扭矩的特种永磁同步电机能满足多工况的试验条件,并且具备运行可靠、效率高等特点。振动噪声性能是永磁同步电机的重要性能之一，关于永磁同步电机振动的大多数研究主要考虑其结构参数的影响。变频调速装置作为永磁同步电机驱动装置，而关于其逆变电路产生的电源谐波中的谐波电流对永磁同步电机振动影响的相关研究较少，因此具有研究价值。本文利用理论推导、有限元仿真及实验相结合的方法，研究逆变电路产生的谐波电流分布特性、永磁同步电机电磁力空间特性和频域特性、永磁同步电机结构振动特性，并综合分析逆变电路产生的谐波电流对永磁同步电机振动性能的影响。　　首先从理论上分析了逆变电路产生的谐波电流频域分布特征，然后搭建谐波电流采集分析系统，对目标电机进行谐波电流实验，将实验结果和理论分析结果进行对比分析，两种结果相吻合。并分析了载波频率与输出电抗器对谐波失真率的影响。　　通过理论推导分析了在正弦波供电和考虑谐波电流时的永磁同步电机电磁力力波次数和频率特性，然后结合目标电机具体结构参数，建立永磁同步电机电磁场分析模型，分析气隙磁通密度和电磁力，对比分析两种供电情况下电机电磁力的空间特性和频率特性。分析结果表明：谐波电流不会改变永磁同步电机电磁力的空间特性，却对电磁力的频率特性影响较大，在载波频率附近会产生额外电磁力。　　建立永磁同步电机转子和定子系统的结构有限元模型，分别对转子和定子系统进行自由模态仿真分析，并通过锤击法对转子和定子系统进行模态试验，转子的仿真与试验的最大误差为3.7%，定子系统的仿真与试验的最大误差为6.6%，保证了转子和定子系统结构有限元模型的精度。基于结构有限元模型，对转子和定子系统进行约束模态分析，分析结果将应用于电机的振动响应的计算。　　基于汽车零部件试验台架，对目标电机进行振动试验，包括稳速和升速工况，并对振动数据进行后处理分析。采用模态叠加法计算了电机壳体的振动响应，将同一工况下的试验值和仿真值进行对比分析，从而验证了仿真方法的正确性。改变载波频率以及输出电抗器的电感值，分析不同谐波电流失真程度对永磁同步电机振动的影响，发现谐波电流失真率对永磁同步电机振动影响较大，尤其在载波频率及其倍频处，谐波电流失真率越大，高频的电磁振动越明显。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 永磁同步电机振动研究现状

1.2.2 永磁同步电机电磁力研究

1.2.3 永磁同步电机结构振动特性分析

1.2.4 变频器谐波研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 逆变电路谐波电流分析

2.1 谐波电流理论分析

2.2 谐波电流实验分析

2.3 本章小结

3 永磁同步电机电磁分析

3.1 永磁同步电机电磁力理论分析

3.1.1 正弦波供电电磁力特性分析

3.1.2 考虑谐波电流时电磁力特性分析

3.2 永磁同步电机电磁场有限元分析

3.2.1 电磁场有限元分析理论

3.2.2 永磁同步电机电磁场分析模型

3.3 永磁同步电机电磁力分析

3.3.1 电磁力空间特性分析

3.3.2 电磁力频谱特征分析

3.4 本章小结

4 永磁同步电机结构振动特性分析

4.1 结构模态理论基础

4.2 转子系统模态分析及验证

4.2.1 转子自由模态分析

4.2.2 转子自由模态试验

4.2.3 转子约束模态分析

4.3 定子系统模态分析及验证

4.3.1 定子系统自由模态分析

4.3.2 定子系统自由模态试验

4.3.3 定子系统约束模态分析

4.4 本章小结

5 永磁同步电机振动分析

5.1 永磁同步电机电磁振动响应分析

5.2 永磁同步电机振动试验

5.2.1 永磁同步电机振动测试系统

5.2.2 振动信号分析理论

5.2.3 预实验

5.3振动试验结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果