磁致伸縮是指電機(jī)硅鋼片鐵芯在交變磁場的作用下，發(fā)生微小的尺寸變化的現(xiàn)象，磁致伸縮使鐵心隨勵磁頻率的變化做周期性振動。本文主要研究磁致伸縮力和麥克斯韋力對電機(jī)振動噪聲的貢獻(xiàn)，從而對電機(jī)的振動噪聲控制提供依據(jù)。

分析必要性

電機(jī)的振動噪聲主要包括電磁振動噪聲、機(jī)械振動噪聲和冷卻系統(tǒng)振動噪聲。其中電磁振動噪聲激勵源包括麥克斯韋力、磁致伸縮力和洛倫茲力，通常認(rèn)為麥克斯韋力是主要的電磁激振源而磁致伸縮力和洛倫茲力是次要激振源。但是隨著變頻電機(jī)的日益普及，國內(nèi)外對磁致伸縮力的研究也逐漸重視。

磁致伸縮是指電機(jī)硅鋼片鐵芯在交變磁場的作用下，發(fā)生微小的尺寸變化的現(xiàn)象，磁致伸縮使鐵心隨勵磁頻率的變化做周期性振動。本文主要研究磁致伸縮力和麥克斯韋力對電機(jī)振動噪聲的貢獻(xiàn)，從而對電機(jī)的振動噪聲控制提供依據(jù)。

以某電機(jī)硅鋼片為研究對象進(jìn)行磁致伸縮等效力學(xué)建模技術(shù)研究，形成模型仿真方法，以此為基礎(chǔ)，開展電機(jī)內(nèi)部磁致伸縮力和麥克斯韋力的計算研究，并針對一系列不同工況開展磁致伸縮力和麥克斯韋力作用下電機(jī)機(jī)殼的響應(yīng)分析，得到磁致伸縮力與麥克斯韋力對電機(jī)振動不同影響以及不同的貢獻(xiàn)度分析結(jié)論。

分析方法

對于磁致伸縮現(xiàn)象數(shù)值計算，可以利用經(jīng)典的有限元軟件ANSYS進(jìn)行有限元數(shù)值分析來完成。主要的思路和方案有三種：

1)開發(fā)新的單元

基于壓磁耦合的偏微分方程，利用ANSYS強(qiáng)大的二次開發(fā)功能，開發(fā)出新的壓磁單元。這種方法一旦開發(fā)完成，使用起來比較方便，直接，將大大有利于將來的磁致伸縮效應(yīng)分析，但該方法開發(fā)周期可能比較長，而且需要ANSYS本體程序關(guān)于耦合單元應(yīng)用方面的接口函數(shù)，參數(shù)說明，可能面臨失敗的危險，而且需要較長時間的驗證，核對工作。

2)壓電比擬法

ANSYS中的耦合域 功能可以完成壓電場分析，壓電效應(yīng)與磁致伸縮效應(yīng)雖然現(xiàn)象不同，但物理機(jī)制是相同的，因此，應(yīng)用壓電一壓磁 比擬法可以進(jìn)行磁致伸縮分析。該方法國外國內(nèi)都有不少研究者使用過，得到了試驗的驗證，計算精度也不錯。

3)熱比擬法

采用單向耦合，對磁致伸縮引起的硅鋼片位移變化認(rèn)為不足以引起磁場明顯變化。熱比擬法將基于硅鋼片材料磁致伸縮試驗得到的材料磁致伸縮特性，在得到電機(jī)一系列工況下硅鋼片上的磁場分布后，通過有限元單元上節(jié)點(diǎn)處磁場強(qiáng)度矢量分布的處理，插值硅鋼片磁致伸縮特性曲線，進(jìn)而得到對應(yīng)每個節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)變數(shù)值。由于節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)變和節(jié)點(diǎn)位移變形是需要單元的形函數(shù)加以協(xié)調(diào)，同時與單元尺寸相關(guān)，不宜直接求解?？梢圆捎脽岜葦M法，將應(yīng)變做為熱比擬法計算的基礎(chǔ)參數(shù)，取假定的熱膨脹系數(shù)和初始參考溫度，得到硅鋼片區(qū)域一系列不同節(jié)點(diǎn)上的最終溫度，并以此結(jié)果做為熱分析的節(jié)點(diǎn)溫度載荷，進(jìn)行熱計算，得到節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)的位移及應(yīng)力。

文采用熱比擬方法針對2D電機(jī)做磁致伸縮分析。

驗證案例

圖1 整體電機(jī)有限元模型

圖2? 材料磁致伸縮特性曲線

磁致伸縮力振動結(jié)果：

在磁場分析結(jié)果的基礎(chǔ)，得到鐵心硅鋼片上所有節(jié)點(diǎn)的B，并保存為數(shù)組。電磁場分析中1，2工況均是瞬態(tài)分析，模擬轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，時間步長較小，因此數(shù)組將提取每個節(jié)點(diǎn)每個時間子步下的B結(jié)果。然后進(jìn)行FFT變換，得到頻域結(jié)果。通過數(shù)組操作，利用硅鋼片材料的磁致伸縮曲線，采用*VITRP進(jìn)行每點(diǎn)每頻率下的插值處理得到對應(yīng)B下面的應(yīng)變。同時假定熱膨脹系數(shù)和初始參考溫度，得到引起相同應(yīng)變的每個節(jié)點(diǎn)上溫差載荷，施加到模型上，對應(yīng)每個頻率進(jìn)行掃頻分析，得到對應(yīng)情況下的磁致伸縮力引起的振動位移。

空載工況下，典型幾個頻率下磁致伸縮引起的振動結(jié)果見圖3至6.

圖3? 66Hz下鐵心磁致伸縮振動位移?

圖4? 132Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

圖5? 264Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

圖6? 2046Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

電機(jī)定子繞組施加理想正弦波電流(頻率66Hz，基波幅值50A)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)工況下典型幾個頻率下磁致伸縮的振動結(jié)果見圖7至10.

圖7? 66Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

圖8? 132Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

圖9? 264Hz下鐵心磁致伸縮振動位移?

圖10? 2046Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

變頻供電電流(基波頻率66Hz，基波幅值50A，諧波頻率2kHz，諧波幅值15A)，典型幾個頻率下的電機(jī)麥克斯韋力引起的振動結(jié)果見圖11至14.

圖11? 66Hz下鐵心磁致伸縮振動位移??

圖12? 132Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

圖13? 264Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

圖14? 2046Hz下鐵心磁致伸縮振動位移

由于振動結(jié)果尤其是磁致伸縮振動結(jié)果，電流基頻以及兩倍頻情況振動的振幅和振動速度相比于其他頻率范圍，數(shù)值較大，因此我們將整個比較的頻率段分為66-132Hz和大于132Hz兩種情況進(jìn)行對應(yīng)對比，對于三種工況下的振動振幅和振動速度，66Hz，132Hz兩個頻率下結(jié)果可見下表：

工況1(空載)

66Hz和132Hz下麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動位移對比見

圖15? 66Hz，132Hz時麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動位移對比

66Hz和132Hz下麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動速度對比見

圖16? 66Hz，132Hz時麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動速度對比

工況2(正弦波電流)

66Hz和132Hz下麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動位移對比見

圖17? 66Hz，132Hz時麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動位移對比

66Hz和132Hz下麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動速度對比見

圖18? 66Hz，132Hz時麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動速度對比

工況3(變頻電流)

66Hz和132Hz下麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動位移對比見

圖19? 66Hz，132Hz時麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動位移對比

66Hz和132Hz下麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動速度對比見

圖20? 66Hz，132Hz時麥克斯韋力和磁致伸縮力引起的振動速度對比

66Hz工作電流頻率下，麥克斯韋力引起的振動振幅和振速相比于磁致伸縮力量級相當(dāng)，某些位置麥克斯韋力較磁致伸縮力為大，某些位置麥克斯韋力較磁致伸縮力為小。

132Hz工作電流倍頻頻率下，麥克斯韋力引起的振動振幅和振速相比于磁致伸縮力引起的要大1，2個數(shù)量級，但在不同的工況情況下，差別的大小有所變化，不同位置處，磁致伸縮力對振動的貢獻(xiàn)度有小的差別。

結(jié)論：

通過熱點(diǎn)比擬法可計算電機(jī)不同工況下由于磁致伸縮產(chǎn)生的硅鋼片振動情況。

延伸閱讀：

1、電機(jī)多物理場仿真解決方案

2、電機(jī)振動噪聲分析解決方案

3、電機(jī)中的電磁場仿真

4、電機(jī)仿真咨詢與專業(yè)定制開發(fā)

5、實(shí)用的電機(jī)仿真資料合集！

6、高性能電機(jī)電磁仿真方案

7、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫下電機(jī)多物理場耦合分析

8、電機(jī)固有頻率計算

9、電機(jī)流體CFD計算

10、多物理場仿真準(zhǔn)確預(yù)測電機(jī)性能

總結(jié)

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