[发明专利]一种多相永磁电机高频振动快速分析方法及其抑制策略

说明书

本申请公开了一种多相永磁电机高频振动快速分析方法及其抑制策略。该方法包括：S1、解析计算PWM逆变器供电多相永磁电机电流谐波；S2、运用磁导分布特征函数法计算得到电机定子各齿所受电磁力；S3、二维傅里叶分解电机定子所受电磁力，选择零阶电磁力高频分量为参考量，间接分析电机高频振动。相对于现有电路和电磁场仿真分析方法，本方案所述的多相永磁电机高频振动快速分析方法物理概念清晰直观，计算效率高，通用性强。运用所述多相永磁电机高频振动快速方法，确定出了一种基于载波移相的高频振动抑制策略，实现了PWM引入的电机高频电磁力的抵消，进而抑制了电机高频电磁振动噪声。

技术领域

本申请涉及永磁电机技术领域，具体而言，涉及一种多相永磁电机高频振动快速分析方法及其抑制策略。

背景技术

永磁电机具高功率密度、高效率、结构简单、易于控制等优点，已被广泛应用各种功率等级的场合。

多相永磁电机绕组相数较多，电枢反应磁动势具有较高的正弦度，因此相比于传统的三相永磁电机，多相永磁电机在转矩脉动、振动噪声等性能上具有先天优势。再通过优化电机结构设计、改进控制算法等方式，电机可具备优越的低频段振动噪声特性。因此多相永磁电机已应用于舰艇推进、高精度伺服系统、电气化交通等振动噪声性能要求较高的领域。

但是，由于现代电机多采用PWM逆变器供电，电流中存在电力电子器件开关频率倍频及其边频的高频谐波，高频电流谐波激发出高频磁场，进而带来高频振动噪声，成为当前制约高性能永磁电机系统振动噪声性能的关键瓶颈问题。更具体地，对于大容量舰艇推进电机系统，受限于电力电子器件的损耗，逆变器的开关频率一般较低，导致高频振动噪声线谱落入声呐敏感探测频带，或人耳的听觉范围频带内，给舰艇的隐身性和舒适性带来恶劣影响。

针对上述问题，首先要精确快速地分析计算高频振动，才能针对性的提出抑制方法。电机高频振动分析方法可分为两个大步骤：电磁振源分析计算和结构振动计算分析，其中电磁振源计算分析可细分为电流谐波计算和高频电磁力计算。现有方法都存在一定程度的不足。

电流谐波分析计算方面，现有方法大多借助于电力电子电路仿真软件，如PLECS、Matlab-simulink，该方法前期需花费大量时间搭建并调试模型。根据香农采样定理，若不失真地分析高频谐波，仿真模型的采样频率应大于所分析频率的2倍，导致仿真模型运行时间较长。

电磁力分析计算方面，现有方法主要针对由电机基波电流、低次谐波电流与永磁体基波、低阶谐波相互作用产生的低频低阶电磁力波。一般是采用有限元法或解析法先求得电机气隙中心线或定子内圆线磁密分布，再通过麦克斯韦应力张量法求得电磁。研究发现，当应用载波移相技术后，高频电流谐波所激发的磁通中，绝大多数为定子槽漏磁通和齿顶漏磁通，而穿过气隙的主磁通占比则很少。但是，现有高频电磁力的分析计算方法仍沿用了低频低阶电磁力研究中以气隙磁密为分析对象的常规思路，考虑不到槽漏磁通产生的电磁激振力，故不能精确定量分析高频电磁力。

结构振动分析计算方面，统计能量法是高频声振系统动力学问题的主要方法，即利用能量描述子系统的状态，再利用功率流平衡方程描述耦合子系统间的相互作用，最后换算成所需的响应。电机子系统的耦合损耗因子和内损耗因子需通过大量实验测量，实验过程繁琐。并且，实际电机系统不能完全满足统计能量法的假设限制条件，现有方法的改进亟待进一步研究。

高频振动抑制策略方面，载波移相PWM技术是一条有效的技术路线。通过移动载波的相位，进而改变高频谐波电流的相位，实现电机高频磁场的抵消，抑制特征频率的电磁振源。载波移相PWM技术副作用是高频电流谐波增大，系统损耗增加。现有策略主要为：同槽布置的两套绕组由两独立逆变器供电，根据PWM调制方式，将两逆变器的载波移相90度或180度。然而，其他针对绕组形式的多相电机，载波移相策略尚不明确。

综上所述，现有分析计算方法不能完全满足计算精确性的要求，且计算前需做大量准备工作，难以兼顾精确性和快速性。且现有的载波相移策略主要针对两套绕组同槽布置的特殊绕组形式，这种载波相移策略对于多相电机而言并非最优载波移相策略。