电流谐波与永磁电机电磁振动相关性研究
电气化是现代船舶重工发展的必然趋势,也是推进绿色船舶,实现国家节能减排、可持续发展的重要手段。
作为船舶电推进系统的“心脏”,高性能电机系统是其发展的核心与关键。
永磁电机因其高功率密度、高转矩密度、高效率及高可靠性等特点逐步取代异步电机在船舶推进系统中的地位。
与此同时船舶推进系统对永磁电机运行性能提出了更高的需求,其中振动噪声为永磁电机高品质运行的重要指标。
在变频器供电的电机中,PWM技术被广泛应用于永磁同步电机驱动系统以获得优异的性能。
然而,变频器输出的电流中含有较多的谐波成分,这些谐波电流进而影响电机的振动噪声,因此本文在考虑电流谐波基础上,对永磁电机电磁振动的产生机理、预测方法和敏感性开展了系统的研究。
本文首先对永磁电机电磁激振力特性以及结构机械特性进行了研究,利用磁动势、磁导谐波分析法,推导了永磁电机气隙电磁力的解析表达式。
分析了正弦波供电、非正弦波供电情况下的气隙电磁力的谐波特性,并利用有限元分析对所推导的解析表达式进行了验证。
利用有限元模态谐响应仿真的方法,对卧式安装船舶辅机振动特性进行分析,并对其主振型即扭振的激振源转矩脉动的两源头切向电磁力及电流谐波进行解析推导。
然后,建立了一种可以快速计算电机在变频器供电下考虑电流谐波的电磁振动的半解析模型,并对该模型进行了有限元验证。
建模过程中,考虑气隙分布电磁力处理方法、电机结构机械传递函数计算方法的影响。
该模型考虑了切向电磁力以及低阶5、7次电流谐波所引入的空间力波对振动的贡献,因此与传统的半解析模型相比具有更高的精度。
最后,研究了永磁电机的电磁振动抑制措施对电流谐波的敏感性。
探究了不同极槽配合的切向电磁力的时空特征,对比分数槽集中绕组电机,分数槽分布绕组电机、整数槽电机在相同电流谐波含量作用时的振动加速度,分数槽分布绕组电机对电流谐波敏感性最低;此外,研究了斜极方式对电流谐波的敏感性,结果表明考虑电流谐波影响时,斜极电机对电流谐波更敏感,更容易受其影响;最后对比了机壳材料的物理特性即密度、杨氏模量对固有频率影响,同时对钢机壳及铸铁机壳的振动特性进行分析,结果表明钢机壳的抗电流谐波敏感性更高。
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