第 1 章 緒論 

1.1 課題研究背景和目的 
本課題的來源主要是國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高精度數(shù)控機(jī)床永磁同步電主軸轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和振動(dòng)噪聲削弱方法研究”（項(xiàng)目編號(hào)：51175350）與沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目“高檔數(shù)控機(jī)床永磁同步電主軸電磁振動(dòng)抑制方法研究”（項(xiàng)目編號(hào)：F15-199-1-13）。本課題將著重研究永磁同步電主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電主軸的齒槽轉(zhuǎn)矩與振動(dòng)噪聲的影響。 當(dāng)今現(xiàn)代社會(huì)的迅速發(fā)展以及人們對(duì)物質(zhì)生活需求的不斷提高，致使各種交通運(yùn)輸工具、家用電器以及機(jī)器設(shè)備等現(xiàn)代化工具越來越多，而電機(jī)作為目前市場上應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。從電能消耗的角度出發(fā)，當(dāng)前大量的電能幾乎全由各種電機(jī)消耗；另一方面，當(dāng)前眾多數(shù)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)都是通過電機(jī)去驅(qū)動(dòng)完成的，在很多的行業(yè)中，電機(jī)是無所不存在的，眾多數(shù)行業(yè)都是靠電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)去帶動(dòng)的[1]。和傳統(tǒng)的電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、調(diào)速方便、轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、損耗小等，正是由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，使得永磁同步電機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域[2]。 近年來，世界各國對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定輸出、電機(jī)振動(dòng)噪聲等級(jí)等方面提出了越來越嚴(yán)格的要求，尤其是在電機(jī)的振動(dòng)噪聲方面，并且在其它性能同等的情況下，振動(dòng)噪聲的大小是作為評(píng)價(jià)電機(jī)性能的重要標(biāo)志。若能使電機(jī)在設(shè)計(jì)制造階段具有較低的振動(dòng)噪聲等級(jí)，不但可以提高工業(yè)精度，而且還會(huì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)，也會(huì)減小噪聲對(duì)環(huán)境的污染[3]。 電機(jī)自身結(jié)構(gòu)與不同控制策略對(duì)振動(dòng)噪聲影響也是較大，現(xiàn)在很多國內(nèi)外學(xué)者研究電機(jī)的振動(dòng)噪聲都是電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和變頻器供電的角度出發(fā)。若能有效地識(shí)別出電機(jī)噪聲源，然后采取相應(yīng)的對(duì)策抑制電機(jī)的振動(dòng)噪聲，便能有效地減小噪聲對(duì)電機(jī)的影響[4]。 
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1.2 課題研究國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及方法 
關(guān)于對(duì)永磁同步電機(jī)噪聲源的理論與實(shí)踐方面的研究，國內(nèi)外有眾多學(xué)者在這方面做了很多的貢獻(xiàn)。研究的主要?jiǎng)討B(tài)包括下面幾個(gè)方向。 1.2.1 永磁同步電機(jī)電磁噪聲和振動(dòng)特性研究分析 1950 年，第一本有關(guān)電機(jī)噪聲計(jì)算的書籍出現(xiàn)，Heller 與 Hamata 兩位學(xué)者非常詳細(xì)的研究了感應(yīng)電機(jī)的振動(dòng)噪聲和諧波轉(zhuǎn)矩。 1974 年，前蘇聯(lián)學(xué)者 Shubov、KWasnicki 與 Astakhov 最開始從電磁噪聲、機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力學(xué)噪聲這三方面分析了三種不同的電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲的主要原因，這三種電機(jī)分別為直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，創(chuàng)建了振動(dòng)與噪聲的計(jì)算方法，并且說明了電機(jī)振動(dòng)噪聲主要是由氣隙磁場形成的電磁激振力波及其諧波幅值對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)激振產(chǎn)生的[6-9]。 1993 年，歐洲的著名學(xué)者諸自強(qiáng)教授進(jìn)行了深入的研究在永磁同步電機(jī)振動(dòng)與噪聲方面，采用數(shù)學(xué)解析的方法算出表貼式無刷永磁直流電機(jī)在四種情況條件下的瞬態(tài)磁場分布情況，這四種情況分為：a）開路場、b）電樞反應(yīng)場、c）定子齒槽效應(yīng)、d）負(fù)載下的合成磁場。對(duì)這四種情況的磁場分析結(jié)果為以后研究表貼式永磁無刷直流電機(jī)徑向電磁力的計(jì)算奠定了理論基礎(chǔ)[10-13]。同時(shí)以此作為理論研究基礎(chǔ)，計(jì)算表貼式無刷永磁無刷直流電機(jī)的電磁噪聲[14]。利用該模型分析氣隙長度、定子開輔助槽和不同負(fù)載對(duì)電機(jī)的電磁場所產(chǎn)生的影響，指出：（1）對(duì)于空載運(yùn)行的定子開輔助槽的電機(jī)，徑向電磁力波中存在著低階分量，雖然徑向電磁力波幅值很小，但是如果不將齒槽效應(yīng)的解析式考慮進(jìn)去，便無法計(jì)算出低階力波幅值；（2）同樣當(dāng)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，如果不將齒槽效應(yīng)的解析數(shù)學(xué)模型考慮進(jìn)去，便無法求取出低階力波幅值，因?yàn)榈碗A分量主要是取決于永磁同步電機(jī)極槽配合；（3）氣隙磁通密度中的諧波成分含量與氣隙長度的大小無關(guān)，則在計(jì)算徑向電磁力波時(shí)，因此通常情況都是用中間氣隙的氣隙磁通密度代替定子齒表面氣隙的氣隙磁通密度；（4）采用麥克斯韋方法計(jì)算徑向電磁力波時(shí)，可以不考慮磁通密度的切向分量，同樣具有較高的可靠性。 
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第 2 章 永磁同步電主軸氣隙磁場理論基礎(chǔ) 

2.1 電主軸氣隙磁場的建立 
通過氣隙磁導(dǎo)與氣隙磁動(dòng)勢(shì)之間的相互聯(lián)系以及相互作用推導(dǎo)出徑向電磁力的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式。當(dāng)考慮定子開輔助槽與轉(zhuǎn)子偏心的情況時(shí)，永磁同步電主軸的定、轉(zhuǎn)子建立氣隙磁場的過程如下：將三相對(duì)稱電樞電流通入定子槽繞組中，則會(huì)使得形成氣隙磁壓降，并且利用氣隙磁壓降與氣隙磁導(dǎo)之間的相互作用，形成氣隙磁場[49]。通過長久以來的理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，在電主軸的三類噪聲中，電磁噪聲是主要的噪聲源，對(duì)整個(gè)電主軸噪聲的影響是最大的。目前有關(guān)永磁同步電主軸振動(dòng)與噪聲的研究，國內(nèi)外大多數(shù)的文獻(xiàn)都是集中在計(jì)算電磁力波對(duì)電主軸振動(dòng)與噪聲所產(chǎn)生的影響中，并沒有考慮其他因素對(duì)其影響，但電主軸能量中只有極其微弱的部分能量轉(zhuǎn)化為聲能，并且永磁同步電主軸結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，如機(jī)殼、端蓋以及零件之間的配合公差的存在，便使得電主軸產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的參數(shù)難以精確計(jì)算。盡管是在消聲室中做電主軸的噪聲測試實(shí)驗(yàn)，所測得的聲功率級(jí)包括電磁噪聲、機(jī)械噪聲與空氣動(dòng)力噪聲等噪聲成分，通常不易區(qū)分出電主軸所產(chǎn)生噪聲成分。因電磁振動(dòng)主要是由電磁力激振定子齒所引起的，因此電磁力是電主軸振動(dòng)與噪聲的主要根源，其計(jì)算與分析結(jié)果對(duì)于研究電主軸振動(dòng)與噪聲具有重大的意義。 
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2.2 電主軸定、轉(zhuǎn)子繞組的磁勢(shì) 
從公式（2.13）中可以得知，電主軸的氣隙磁密是由氣隙磁動(dòng)勢(shì)與氣隙磁導(dǎo)之間的相互乘積所確定的。根據(jù)參考外文相關(guān)書籍可知，電主軸的氣隙磁動(dòng)勢(shì)主要是由定子基波磁動(dòng)勢(shì)、定子諧波磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子諧波磁動(dòng)勢(shì)之間的相互疊加可得，本章主要是通過理論推導(dǎo)出電主軸氣隙磁場的公式，進(jìn)一步去推導(dǎo)定、轉(zhuǎn)子繞組的磁勢(shì)，根據(jù)所推導(dǎo)出的理論公式可得知?dú)庀洞艌雠c電主軸結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為后續(xù)的研究電主軸振動(dòng)與噪聲、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 
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第 3 章 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)永磁同步電主軸齒槽轉(zhuǎn)矩的影響 .... 17 
3.1  永磁體大小和分布對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響 ......... 17 
3.1.1  永磁體大小對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響 .... 19 
3.1.2 永磁體分布對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響 .... 21 
3.2  轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)永磁同步電主軸轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響 ..... 23 
3.3  氣隙形狀對(duì)永磁同步電主軸齒槽轉(zhuǎn)矩的影響 ..... 27 
3.4 本章小結(jié) ....... 31 
第 4 章 永磁同步電主軸正弦供電與變頻供電的磁場分析 .... 32
4.1  正弦供電永磁同步電主軸二維磁場有限元分析.......... 32
4.2  額定負(fù)載變頻器供電永磁電主軸二維磁場有限元計(jì)算 ...... 37 
4.3  本章小結(jié) ....... 42
第 5 章 變頻器控制下永磁同步電主軸的振動(dòng)與噪聲分析 .... 43 
5.1  永磁同步電主軸的仿真模態(tài)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析 ...... 43 
5.2  永磁同步電主軸實(shí)測振動(dòng)噪聲頻率分析 ..... 45
5.3  不同控制頻率下的噪聲對(duì)比 ......... 50 
5.4  本章小結(jié) ....... 51 

第 5 章 變頻器控制下永磁同步電主軸的振動(dòng)與噪聲分析 

本章主要是對(duì)電主軸整體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，同時(shí)也進(jìn)行有限元仿真，比較仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了仿真的可行性與可靠性。之后對(duì)電主軸振動(dòng)噪聲的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究出對(duì)應(yīng)振動(dòng)噪聲的來源，并且對(duì)電主軸在 3kHz 載頻下的空載與額定負(fù)載的振動(dòng)噪聲進(jìn)行研究。同時(shí)研究實(shí)測開關(guān)頻率與轉(zhuǎn)速和噪聲值之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律特性。 

5.1 永磁同步電主軸的仿真模態(tài)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析 

對(duì)電主軸振動(dòng)與噪聲的研究，其中對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析是非常關(guān)鍵的步驟。模態(tài)的實(shí)質(zhì)是電主軸結(jié)構(gòu)做簡諧振動(dòng)，既電主軸整個(gè)機(jī)械統(tǒng)中的各點(diǎn)以特定的頻率振動(dòng)。當(dāng)徑向電磁力頻率與電主軸的固有頻率接近或者相等時(shí)，將會(huì)引起電主軸產(chǎn)生共振。即使較小的徑向電磁力頻率也會(huì)使得電主軸產(chǎn)生較大的振動(dòng)。 首先利用 SolidWorks 建立電主軸的三維有限元模型，，導(dǎo)入 AnsysWorkbench 對(duì)其進(jìn)行模態(tài)有限元仿真，考慮到計(jì)算速度，建模時(shí)將螺釘、螺母、電主軸風(fēng)罩等小型原件，利用等質(zhì)量法將其質(zhì)量分別加載電主軸其他部件上，這樣不但可以提高計(jì)算速度，還能提高計(jì)算可靠性與精確度。同時(shí)將結(jié)果與利用丹麥 BK 軟件做實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。 本文在計(jì)算注塑機(jī)用永磁電主軸模態(tài)時(shí)，將采用適合與提取大模型的多階模態(tài)的Block  Lanzcos 計(jì)算法。在計(jì)算模態(tài)時(shí)對(duì)電主軸不施加任何約束，因?yàn)樵谧鰧?shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)電主軸是進(jìn)行懸空測試其模態(tài)頻率，因此為了保持與實(shí)驗(yàn)情況一致仿真時(shí)，也不需要對(duì)其進(jìn)行約束。圖 5.1 為計(jì)算得到的電主軸模態(tài)時(shí)，提取出的部分模態(tài)振型。 從圖 5.1 中可以看出電主軸的前后端蓋和機(jī)殼的振動(dòng)變形最為明顯，這是因?yàn)檫@些位置處的剛度相對(duì)于其他部分較小。特別是當(dāng)徑向電磁力作用在定子齒內(nèi)表面上，會(huì)引起電主軸的強(qiáng)烈振動(dòng)，并產(chǎn)生向外輻射的噪聲。 利用丹麥BK軟件對(duì)電主軸整體進(jìn)行模態(tài)測試，圖5.2表示測試的固有頻率頻顯圖。采用丹麥 BK 后臺(tái)處理軟件提取出其固有頻率值。表 5.1 為通過有限元計(jì)算得到永磁電主軸的模態(tài)固有頻率與實(shí)測模態(tài)固有頻率對(duì)比表。 

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結(jié)論 

本文主要以表貼式 4 極 6 槽永磁同步電主軸、表貼式 4 極 48 槽永磁同步電主軸、內(nèi)置式 4 極 6 槽永磁同步電主軸作為研究對(duì)象，研究電主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)影響齒槽轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律；同時(shí)以一臺(tái) 68kW 的 8 極 36 槽永磁同步電主軸為例，對(duì)其電磁場進(jìn)行分析，并且同時(shí)利用丹麥 BK 對(duì)其進(jìn)行模態(tài)、振動(dòng)與噪聲實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證。 根據(jù)對(duì)以上論文的研究內(nèi)容，本文研究永磁同步電主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)與控制策略對(duì)振動(dòng)噪聲的影響，取得的主要成果如下：通過 ANSYS 分析電主軸磁場，提出了三種有效抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。第一種是針對(duì)表貼式 4極 48 槽永磁同步電主軸，研究永磁體大小和永磁體分布對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，得出最佳的永磁體包角和永磁體分布角度；第二種是對(duì)內(nèi)置式 4 極 6 槽永磁同步電主軸，分析轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)電主軸氣隙磁場的影響，分析出最佳的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)，從而達(dá)到降低齒槽轉(zhuǎn)矩的可行性；第三種是針對(duì)表貼式 4 極 6 槽永磁同步電主軸，分析氣隙形狀對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響進(jìn)行研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：通過改變最長氣隙長度與偏移位置角度，對(duì)電主軸的額定轉(zhuǎn)矩沒有影響，但是對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩卻能起到很好的削弱作用，并且設(shè)計(jì)出最佳的最長氣隙長度和偏移位置角度。利用 ANSYS 計(jì)算出正弦波電流和變頻器供電電流對(duì) 68kW 的 8 極 36 槽電主軸進(jìn)行有限元仿真分析，并利用瞬態(tài)法計(jì)算出永磁同步電主軸中隨位置與時(shí)間變化的徑向電磁力和切向電磁力，并以此為基礎(chǔ)，利用軟件編程對(duì)其進(jìn)行頻譜分析和諧波分析，發(fā)現(xiàn)電主軸通入變頻器供電的電流分析永磁同步電主軸磁場時(shí)，在電磁力的頻譜中會(huì)增加一些由于開關(guān)頻率調(diào)制所產(chǎn)生的頻率成分。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：84488