基于Surrogate方法的低速大扭矩门用电机机壳振动噪声优化.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月南京工程学院学报(自然科学版)().:./.投稿网址:/.基于 方法的低速大扭矩门用电机机壳振动噪声优化李 健朱松青杨 南王逸飞(南京工程学院机械工程学院 江苏 南京)摘 要:门用电机振动与噪声的研究对改善公共交通领域乘客体验有极大的促进作用.由于应用场景中机械电磁环境较为复杂基于电磁力波计算的传统永磁电机振动噪声方法存在计算不精确、多物理场耦合优化模型不紧密等问题.本文提出一种基于 方法的分数槽永磁同步电机八边形机壳设计方案通过有限元仿真获取先验数据利用克雷金法重构 数学模型经误差修正后采用搜索算法对电机机壳振动噪声进行优化.结果表明本文方法对多物理量耦合仿真优化具有较
2、高的拟合精确度与较快的计算速度具有良好的工程可行性.关键词:门用电机机壳噪声中图分类号:收稿日期:作者简介:李健硕士研究生研究方向为机电系统集成及机器人技术.:.通讯作者:朱松青博士教授研究方向为机电系统集成设计、机电系统测试与仿真.引文格式:李健朱松青杨南等.基于 方法的低速大扭矩门用电机机壳振动噪声优化.南京工程学院学报(自然科学版)():.在公共交通电气系统中车门系统正由传统的气动门、液压门逐渐改造为电动门.门用电机属于典型的低速大扭矩工况分数槽带辅助齿的永磁同步电机是这种工况的首选.但分数槽与辅助齿会导第 卷第 期李 健等:基于 方法的低速大扭矩门用电机机壳振动噪声优化致磁场正弦性下降
3、影响电机噪声、振动与声振粗糙度(、)性能.电机噪声按产生方式可分为机械噪声、空气动力噪声和电磁噪声.门用电机机械噪声由车体受路面不平影响产生的机械结构间相互碰撞产生幅值较小且周期不固定门用电机为低速大扭矩电机电机腔内空气碰撞摩擦产生的空气动力噪声可以忽略不计本文主要研究因电磁力波作用产生的电磁噪声.电磁噪声的产生机制为:电机运行时电磁力波作用于定子齿致使定子铁芯产生振动并传递至机壳向外辐射噪声.通过研究电磁力波探索电机定子齿、定子铁芯的振动与噪声的工作在当前学术界已有很多.文献通过优化电机极弧系数采用大小磁极结构降低了电磁力波中对电机振动噪声影响较大的相关阶次从而降低了电机振动噪声文献提出通过
4、改变定子槽口宽度以及偏心转矩气隙的方式来抑制电磁力波的产生从而抑制电机的振动噪声.这些文献是在电机的定子和转子上寻求电机振动噪声的优化方法但是在电机的设计过程中优先考虑的是电机的运行性能.当电机设计完成需要进行振动噪声优化时改变定子或者转子结构都会较大程度影响电机电磁参数故越来越多的学者开始研究采用电机机壳参数优化来降低电机振动噪声.文献通过有限元法结合 理论和 理论的方式研究了长度、壁厚、接线盒大小以及接线盒位置等因素对表面式分数槽绕组永磁同步电机机壳轴向固有频率的影响得到圆柱形机壳轴向固有频率的计算公式从而降低电机的振动噪声文献通对电机定子与壳体之间的过盈量和不同工况下的电机温度耦合进行仿
5、真结合有限元法和解析计算调整电机机壳和定子的过盈量使电机噪声降低了.上述研究仅对电机机壳的单个参数进行分析对于多参数间交互耦合关系的研究并不深入.这主要是因为对于机壳这类几何条件较为复杂的模型通过电磁力波理论进行推导计算的微分方程边界条件过多导致计算难度与速度要求增大.随着数学建模理论的推进通过试验与仿真数据可反向拟合复杂微分方程的解从而提供了一种定量探索多参数耦合关系的大数据方法使得对电机噪声与振动的模拟可以兼顾精度与计算速度.本文运用 软件对不同形状的八边形机壳电机的电磁力进行仿真将电磁力导入 软件的 模块和 模块仿真得到电机的噪声借助 建模优化算法对电机壳体进行优化得到噪声最低处的八边形
6、机壳形状参数通过有限元仿真验证该方法对降低电机噪声的有效性.理论与仿真本文以一台低速大扭矩分数槽带辅助齿永磁同步门用电机为例研究四参数八边形机壳对电机噪声的影响.电机的主要参数为:额定功率为 额定转速为 /额定扭矩为 额定电压为 槽数为 极对数为.根据麦克斯韦方程可得电机转子和定子的单位气隙处的径向力为:()()式中:为空气磁导率 /为径向气隙磁密为切向气隙磁密.采用磁势磁导法的气隙磁密表达式为:()()()()式中:()为气隙磁势()为气隙磁导.电机中的气隙磁势由转子永磁体磁势和定子绕组磁势组成转子永磁体磁势表达式为:()()()式中:为永磁体磁动势幅值 为极对数 为齿中心线和永磁体中心线的
7、夹角.定子单相绕组磁动势表达式为:()()()()南京工程学院学报(自然科学版)年 月式中:为谐波次数 为每相绕组的串联匝数为第 次谐波的绕组系数为电流有效值.结合式()至式()可得电机三相绕组磁动势以及电机的气隙磁密和气隙处的径向电磁力.径向电磁力解析计算后在 软件中对电机进行电磁仿真.在通入电流后可以得到电机的空载气隙磁密云图如图 所示.仿真与解析计算得到的电机转子和定子单位气隙处的气隙磁密有效值相互验证可进一步说明电磁仿真结果的准确性.图 电机的空载气隙磁密云图电机大多采用圆柱形机壳圆柱形机壳在装配过程中需要额外的法兰结构进行连接在一定程度上增加了成本.多边形机壳可以在不增加额外结构的情
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