单绕组宽转子齿无轴承开关磁阻电机振动噪声基础研究

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开关磁阻电机(SRM)双凸极定转子结构具有结构简单,稳定性高等优点,被广泛应用于电动汽车和航空航天等领域。无轴承开关磁阻电机(BSRM)将无轴承技术和SRM相结合,使得BSRM兼具悬浮和旋转的功能,不仅降低了摩擦损耗还延长了电机的使用寿命。然而BSRM由于转矩和悬浮力之间的耦合以及转矩脉动较大的问题,阻碍了电机的进一步推广。本文研究的宽转子齿无轴承开关磁阻电机(BSRMWR),其结构的特殊性解决了电机转矩和悬浮力之间的耦合问题。12/8极BSRMWR解决了BSRM转矩和悬浮力之间的耦合问题,实现了转矩和悬浮力的解耦,但电机的双凸极结构以及电源脉冲式供电的方式仍然不变,故将会带来BSRMWR较大的振动噪声。本文针对这一问题,主要从结构优化的角度研究能够降低BSRMWR振动噪声的方法。首先,本文先阐述了BSRMWR的结构,详述了电机的工作原理是双向导通原理。由于传统BSRM的电机转矩和悬浮力数学模型已经不再适用于BSRMWR,因而基于麦克斯韦应力法,重新推导了BSRMWR的转矩和悬浮力数学模型。通过有限元分析软件分析了电机的转矩和悬浮力特性曲线,这为后续电机的振动噪声分析提供了理论基础。其次,根据给出的BSRMWR设计参数绘制电机的2-D仿真模型,利用业内专业的电机电磁分析软件仿真分析BSRMWR的径向电磁力,对其进行FFT分析。基于此,为后续进一步研究振动噪声奠定了基础。接着,绘制BSRMWR振动与噪声分析的仿真3-D模型,将径向电磁力从JMAG中导出,在振动噪声分析软件中将该力映射到电机定子内表面,由此计算出振动响应。接着将振动位移的数据作为噪声分析的输入,计算得到BSRMWR声场特性。由分析结果可知:当电机径向电磁力的频率和模态分析的频率大小接近时,电机会出现共振现象。最后,对12/8极BSRMWR振动噪声较大的问题提出解决方案。从结构优化的角度,研究了一种基于模态参与因子的壳体结构优化方法来抑制其振动。通过在BSRMWR壳体合理添加加强筋对抑制电机的振动响应有显著作用。基于加强筋的布局问题,继续分析了一种基于形貌优化的振动噪声解决方案,该方案可以通过设置优化目标自动生成电机壳体的加强筋模型,能够有效的解决的电机振动噪声较大的问题。同时,从经济角度看,该方案具有一定的经济效益,所以该方案分析思路是行之有效的。
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