林 岩，方 超，满 翊

(1.国家电投集团内蒙古能源有限公司，通辽 028011；2.上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

0 引 言

发电机定子冷却水系统是发电机的重要辅助系统，主要用于冷却发电机定子绕组及出线侧的高压套管[1]。随着国家标准对水系统技术要求的提升，目前，水-氢-氢冷却方式的发电机水系统已很难适应技术发展。加碱注射泵的效率利用为发电机水系统的一个关键点，当前加碱注射泵使用时电动机振动较大，会导致电动机本身的性能不稳定，进而可能造成发电机的停机维修。因此，可以对该电机进行性能优化，通过降低振动，进而提高电机的使用寿命，有效改善发电机的维修周期。

内置式永磁同步电动机(以下简称IPMSM)可以理解为两种不同类型电机的加成：永磁同步电机和同步磁阻电机。IPMSM同时具有永磁同步电机的高效率和同步磁阻电机的高功率优点。由于使用了钕铁硼永磁材料，电机的效率和功率密度都显著增加。同时，IPMSM减少了钕铁硼的消耗，降低了成本，并且速度更高[2-3]。

本文涉及永磁同步电动机的电磁设计和振动噪声的分析，充分利用同步电动机的磁阻转矩是设计的关键。研究了转子结构和永磁体形状对转矩大小的影响，并特别研究了IPMSM的振动和噪声[4]。

1 永磁体的优化

1.1 永磁体角度的优化

本文设计了一台45 kW的三相永磁同步电动机。该IPMSM的极槽配合为8极48槽。本文中的角度定义为永磁体侧面与其对称轴之间的角度，范围为60°至85°。磁体的一种配置如图1所示[4]。

图1 磁体安装角度示意图

在额定转速1 960 r/min下，电磁转矩与角度的关系如图2(a)所示。随着角度的增大，电磁转矩先变大后变小，在74°时达到最大值，为366.54 N·m。磁阻转矩随角度的变化而变化，如图2(b)所示，角度增加时转矩有减小的趋势。磁阻转矩与电磁转矩之比随角度的增加而减小，如图2(c)所示。转矩脉动随角度变化的范围很小，如图2(d)所示，对整体性能影响很小。

图2 转矩与角度关系图

1.2 永磁体厚度的优化

在永磁体体积恒等的前提下进行永磁体的厚的优化，厚度变化范围为6.4 mm～8.6 mm。在额定转速1 960 r/min下，转矩与永磁体厚度的关系如图3所示。随着永磁体厚度的增加，电磁转矩减小，磁阻转矩增大，磁阻转矩与电磁转矩的比值增大。转矩脉动随角度的变化范围很小，约1.4%，对整体性能影响很小[5]。

图3 额定转速时，转矩与永磁体厚度关系图

在最大转速7 000 r/min下，转矩随永磁体厚度的变化如图4所示。电磁转矩、磁阻转矩及其比值的变化趋势，与额定转速时一致。转矩脉动变化范围很小，只有5%的范围区间，对整体性能影响很小。

图4 最高转速时，转矩随永磁体厚度的变化

1.3 辅助槽开口的优化

图5 辅助插槽对磁密的影响

2 噪声分析

2.1 空载条件下的电磁波径向密度

在额定转速1 960 r/min时电磁波的径向密度随着机械角度的改变而变化。由图6(a)可知，电磁波径向密度有4个周期，就机械角度而言，整个周期中有8个周期，这和极对数2p完全一致。图6(b)是在径向电磁力密度波随傅里叶变换的空间位置变化时，径向电磁波和力波数直方图。图6(c)显示径向密度随时间的变化，图6(d)是图6(c)的傅里叶变换[7-8]。

图6 空载径向电磁波密度的空间分布和时间分布(1 960 r/min)

在最大转速7 000 r/min下径向电磁波密度的空间和时间分布如图7所示。

图7 空载径向电磁波密度的空间分布和时间分布(7 000 r/min)

2.2 负载条件下的电磁波径向密度

负载条件下，电磁波径向密度的时间和空间分布如图8、图9所示。

图8 负载径向电磁波密度的空间分布和时间分布(1 960 r/min)

图9 负载径向电磁波密度的空间分布和时间分布(7 000 r/min)

力波数r是2p的整数倍，因此在图7(b)和图8(b)中，力波数是8的整数倍，其中零力波和8倍力的振幅较大，频率是8倍基频的整数倍。

3 电机固态模式

电动机谐振时会产生很大的电磁噪声。电机谐振取决于其固态模式。本文从六个方面进行了对比：①仅考虑定子磁轭，②整个定子，③定子及附加质量，④定子绕组，⑤定子绕组包括端部，⑥定子绕组加上端部和附加质量。从图10可以看出，仅考虑定子磁轭的情况与实际情况有很大的不同。为真实模拟电动机模型，进一步将质量与壳体的定子绕组考虑在内。

图10 固有频率的变化对比

4 振动与噪声

图11是电磁力简示图。为了简化实际的复杂模型，本文中仅考虑基频P。P0是径向电磁力的一个分量，P0对本文讨论的定子产生了一个恒定的吸引力，不会导致形变，由此可知并没有噪声生成,所以最终加载的力是去掉了直流分量的变化的力P1。

图11 电磁力随角度的变化而变化

电动机所加载的电磁力是一个正弦性的径向力，就物理意义而言，该力对电动机既有吸引作用，也有排斥的作用。由电磁力引起的载荷图和形变如图12所示。

图12 电磁力载荷图

给电动机一定的频率和初始相角，则会出现相应的形变。图13为在额定转速1 960 r/min下，不同频率下的空载应力形变。

图13 空载形变(1 960 r/min)

在额定转速1 960 r/min和7 000 r/min时，空载条件下和负载条件下，不同力波产生的径向电磁力和形变量如表1、表2所示。

表1 径向电磁力的相应数量和大小

表2 空载和负载条件下的不同形变量

噪声计算过程如下：

当振动频率为f时，其对应的角速度ω=2πf。以定子的平面作为声发射器，声强I与这个行程变量y的关系如下：

(1)

式中：ρ为空气密度；c为空气中的声音速度。

当电机远大于声波长度时(通常大于10倍)，则为平面辐射器。本文计算得到的声波长度，可以将定子看作是一个球形辐射器。本文涉及的波长范围为0.10～1.32 m，电动机机壳直径为0.29 m。

I球的有效值是：

I球=WrI平

(2)

根据类型来计算噪声值L：

(3)

式中：I0作为声音强度的基准。

根据所有频率计算出相应的噪声，最大变形情况下的结果如表3所示。

表3 空载条件下和负载条件下的不同噪声

为了降噪，在定子绕组中灌封树脂，把定子绕组和连接件看作一个整体来提高电动机固有模态频率，效果明显。使用的树脂，其杨氏弹性模量1.91 GPa，密度1 161 kg/m3，泊松比0.35。模态频率比较如图14所示。

图14 附加绕组和浇铸树脂的模态

最高转速为7 000 r/min时，在波浪力作用下对32阶振动进行仿真，空载和负载时的形变如图15所示，其噪声比较结果如表4所示。可见，树脂灌封后，降噪效果明显。

图15 树脂灌封后，空载变形和负载变形(7 000 r/min)

表4 绕组增加质量与灌封树脂噪声的比较(7 000 r/min)

5 结 语

在转子上制作对称辅助槽，可以减少气隙磁通量密度谐波。通过优化永磁体，得到合理的电机模型，并计算出其对应的电磁力。在给定的定子绕组模型中，其固有模态为固定的，通过研究定子齿、机壳、绕组等的不同影响，得到合理的降噪方法。根据电动机振动原理，将不同力波数的径向电磁力附加在对应的有限元模型的定子齿，得到其对应的电机噪声。本文提出了定子浇注树脂方案，该方案通过改变电动机固有频率，有效降低了电机噪声和振动幅值。