一种计算作用在电机转子上的均布电磁力的方法技术

本发明专利技术公开了一种计算作用在电机转子上的均布电磁力的方法，包括作用在电机转子铁芯表面的均布电磁力的时间和空间分布，首先通过对电机平均气隙圆周上的电磁力进行计算，得到作用在电机定子上的电磁力的时间和空间分布；然后利用本发明专利技术方法对得到的电机平均气隙圆周上的电磁力数据进行处理，得到作用在电机转子铁芯表面上的均布电磁力。通过对转子铁芯表面上的均布电磁力进行频域分析，可以准确分析电机转子的振动噪声源。本发明专利技术方法可以快速、准确、有效地计算作用在电机转子铁芯表面上的均布电磁力，对研究电机转子振动及电机整体振动噪声具有重要的科学意义和实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种计算作用在电机转子上的均布电磁力的方法
本专利技术属于电机振动分析
，尤其涉及一种计算作用在电机转子上的均布电磁力的方法。
技术介绍
随着新能源的快速发展，电机能源效率的不断提升，电机作为重要的机电能量转换装置被广泛的在电动汽车、风力发电、家用电器等领域中。电机的电磁振动和噪声作为其附加效应对人们的生活和工作环境造成了严重影响，并使电机在低振动、噪声领域的应用受到限制。一般认为电机的振动主要与电机的转矩脉动和径向电磁力波导致的振动相关，其中径向电磁力波是引起电机振动的主要原因。由电机径向电磁力所引起的电磁振动和噪声，其影响因素包括：(1)电机结构本身的固有频率和模态振型；(2)电磁力波的幅值、空间谐波阶次、时间谐波频率。当电磁力空间谐波的阶次越低，幅值越大，电机定子系统产生的变形越大，所引起的振动、噪声也越大。此外，当电磁力波的空间阶次和频率与电机结构的固有模态和频率相同时会导致电机的共振现象，恶化电机的振动和噪声问题。对于内转子电机，现有研究认为电机的振动噪声源主要是电机径向电磁力引起的定子机壳振动和电机转矩脉动，而转子的弯曲振动和扭振对电机的转矩脉动具有重要影响；对于应用于风力发电和电动汽车等领域的直驱外转子电机，电机的振动噪声源主要由电机径向电磁力引起的外转子振动和转矩脉动。目前现有文献对电机电磁力的研究主要是计算作用在电机定子上的均布电磁力，鲜有文献涉及电机转子铁芯表面均布电磁力的计算。但为了准确研究导致电机转子振动的主要原因，需要对作用电机转子上的电磁力进行详细的研究。因此，一种准确、有效计算作用在电机转子铁芯表面的均布电磁力的方法，对于全面、详细地分析电机的振动噪声源至关重要。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种计算作用在电机转子上的均布电磁力的方法，包括作用在电机转子铁芯表面的均布电磁力的时间和空间分布，对全面详细地研究电机的振动噪声源及电机振动噪声抑制策略具有重要的科学意义和实用价值。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种计算作用在电机转子上的均布电磁力的方法，包括步骤：(1)建立电机平均气隙圆周的电磁力分布的计算模型；(2)对电机平均气隙圆周的电磁力在时间轴和空间圆周上的采样点数进行设置，使电磁力的时间和空间分布构成n×n的矩阵；(3)对所得电磁力矩阵式各列数据进行处理，将矩阵各列数据Xi,j(i≤j)置换到矩阵的右上对角线，使Xi,j(1≤i＝j≤n)位于相应各列的首行，同时将矩阵元素Xi,j(1≤i<j,1≤j≤n)按顺序放置到相应各列矩阵元素Xn,j(1≤j≤n)的后面，所得矩阵即为转子旋转一个机械周期作用在转子铁芯表面的均布电磁力的时间和空间分布。进一步地，所述步骤(1)中，利用解析法或有限元法建立电机平均气隙圆周的电磁力分布的计算模型。进一步地，所述步骤(2)中，电磁力时间轴t和空间轴θ的采样点数相同，时间轴t的长度为电机转子旋转完整的机械周期所用的时间。进一步地，所述步骤(3)中，电磁力矩阵元素的下标i表示空间位置θ，j表示时间t。进一步地，适用于计算各类电机转子上均布电磁力，包括内转子电机、外转子电机、轴向电机。有益效果：本专利技术方法计算方法简单，可以快速、准确、有效地计算作用在电机转子铁芯表面上的均布电磁力的时间和空间分布，进而可以进行频域分析研究，准确地确定导致电机转子振动的根源，对研究电机的振动噪声及电机整体振动噪声抑制策略具有重要的科学意义和实用价值。附图说明图1是定子无齿槽永磁电机的定子、转子和绕组拓扑结构示意图；图2是定子有齿槽永磁电机的定子、转子和绕组拓扑结构示意图；图3是定子无齿槽电机的转子电磁力时域和频域分布图，(a)定子无齿槽电机转子电磁力时间和空间分布，(b)定子无齿槽电机转子电磁力谐波分布；图4是定子有齿槽电机的转子电磁力时域和频域分布图,(a)定子有齿槽电机转子电磁力时间和空间分布，(b)定子有齿槽电机转子电磁力谐波分布。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明。本专利技术所述的计算作用在电机转子上的均布电磁力的方法，包括作用在电机转子表面的均布电磁力的时间和空间分布，包括以下步骤：(1)利用解析法或有限元法建立电机平均气隙圆周的电磁力分布的计算模型；(2)对电机平均气隙圆周的电磁力在时间轴和空间圆周上的采样点数进行设置，使电磁力的时间和空间分布构成n×n的矩阵；其中，时间轴t的长度为电机转子旋转一个完整的机械周期所用的时间，所得电磁力矩阵如式：其中，矩阵元素的下标i表示空间位置θ，j表示时间i。(3)对得到的电磁力矩阵式各列数据进行处理，将矩阵各列数据Xi,j(i≤j)置换到矩阵的右上对角线，使Xi,j(1≤i＝j≤n)位于相应各列的首行，同时将矩阵元素Xi,j(1≤i<j,1≤j≤n)按顺序放置到相应各列矩阵元素Xn,j(1≤j≤n)的后面，如式：(4)所得到P2(θ,t)即为转子旋转一个机械周期作用在转子铁芯表面的均布电磁力的时间和空间分布。该方法能够快速、准确、有效地计算作用在电机转子铁芯表面的均布电磁力，适用于计算各类电机转子上均布电磁力，包括内转子电机、外转子电机、轴向电机等。实施例1如图1所示，定子无齿槽永磁电机的定子、转子和绕组拓扑结构示意图，选取五相分数槽集中绕组内置式永磁电机为例，电机的转子极数为18，定子槽数为20，电机绕组为单层集中绕组结构，包括无齿槽定子铁芯1，转子铁芯2，绕组3，定子电枢齿4，定子容错齿5，永磁体6。为定子无齿槽的永磁电机空载时的转子铁芯均布电磁力进行计算，定子无齿槽结构且电机为空载运行，因此电机气隙磁场电磁力主要由永磁磁场产生。由于永磁体安装在电机转子上，永磁磁场与转子同步旋转，因此作用在电机转子上的电磁力不会随时间发生变化，作用在在转子上的电磁力不存在非零频率的谐波分量。如图3所示，计算得到作用在定子无齿槽电机转子上的均布电磁力的时域和频域分布。根据图3(a)可以观察到作用在定子无齿槽永磁电机转子上的均布电磁力不随时间变化而变化；根据图3(b)可以观察到作用在定子无齿槽永磁电机转子上的均布电磁力谐波分量由频率为0Hz的多个空间谐波组成，其中(18，0Hz)谐波为电机转子永磁磁场产生的电磁力基波，验证了本专利技术方法的准确性。实施例2如图2所示，定子有齿槽永磁电机的定子、转子和绕组拓扑结构示意图，包括转子铁芯2，绕组3，定子电枢齿4，定子容错齿5，永磁体6，有齿槽定子铁芯7。为定子有齿槽的永磁电机空载时的转子铁芯均布电磁力进行计算。定子有齿槽结构且电机为空载运行，因此电机气隙磁场电磁力主要由永磁磁场和永磁磁场与定子齿谐波的相互作用产生。由于永磁体安装在电机转子上，永磁磁场与转子同步旋转，因此由永磁磁场引起的作用在电机转子上的电磁力不会随时间发生变化；由于定子位置固定，永磁磁场与定子齿谐波的相互作用，因此存在齿谐波引起电磁力谐波分量(20，500Hz)及其它相关谐波分量。如图4所示，作用在定子有齿槽电机转子上的均布电磁力的时域和频域分布。根据图4(a)可以观察到作用在定子有齿槽永磁电机转子上的均布电磁力随转子旋转在一个机械周期内存在20个周期；根据图4(b)可以观察到作用在定子有齿槽永磁电机转子上的均布电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算作用在电机转子上的均布电磁力的方法，其特征在于，包括步骤：(1)建立电机平均气隙圆周的电磁力分布的计算模型；(2)对电机平均气隙圆周的电磁力在时间轴和空间圆周上的采样点数进行设置，使电磁力的时间和空间分布构成n×n的矩阵；(3)对所得电磁力矩阵式各列数据进行处理，将矩阵各列数据Xi,j(i≤j)置换到矩阵的右上对角线，使Xi,j(1≤i＝j≤n)位于相应各列的首行，同时将矩阵元素Xi,j(1≤i

【技术特征摘要】
1.一种计算作用在电机转子上的均布电磁力的方法，其特征在于，包括步骤：(1)建立电机平均气隙圆周的电磁力分布的计算模型；(2)对电机平均气隙圆周的电磁力在时间轴和空间圆周上的采样点数进行设置，使电磁力的时间和空间分布构成n×n的矩阵；(3)对所得电磁力矩阵式各列数据进行处理，将矩阵各列数据Xi,j(i≤j)置换到矩阵的右上对角线，使Xi,j(1≤i＝j≤n)位于相应各列的首行，同时将矩阵元素Xi,j(1≤i<j,1≤j≤n)按顺序放置到相应各列矩阵元素Xn,j(1≤j≤n)的后面，所得矩阵即为转子旋转一个机械周期作用在转子铁芯表面的均布电磁力的时间和空间分布。2.根据权利要求1所述的计算作...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊英，邬占川，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32