非晶合金电机振动噪声影响因素的研究

沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心的研究人员韩雪岩、赵森磊等，在2015年第14期《电工技术学报》上撰文，磁致伸缩和叠压影响是引起非晶合金变压器振动噪声的主要原因，而在硅钢片电机的振动噪声计算中这两种因素经常被忽略。为此本文对非晶合金电机振动噪声影响因素进行了深入研究。

首先，基于压磁方程建立了磁—机械耦合数学模型。以一台2.1kW非晶合金永磁电机为例，考虑磁致伸缩和叠压影响，应用二维有限元计算了该电机在不同供电条件下的磁场分布、形变和振动加速度。在此基础上分析了定子铁心周围声场分布，通过实验验证了计算方法的有效性。

之后，通过电磁力、磁致伸缩和叠压三种影响因素对硅钢片电机和非晶合金电机振动噪声影响的研究发现：磁致伸缩对硅钢片电机的振动噪声影响较小；磁致伸缩和叠压影响对非晶合金电机振动噪声影响较大，在计算非晶合金电机振动噪声时磁致伸缩和叠压影响不能被忽略。

非晶合金作为一种新型软磁材料[1]，具有优异的电磁性能（高磁导率、低损耗）。将非晶合金材料应用于永磁电机铁心来替代常规硅钢片材料，能够显著降低电机的铁耗、提高电机效率，节能效果显著。

从上世纪八十年代至今非晶合金电机的研发工作一直在紧张有序地进行。随着变频器的发展和大量应用，非晶合金电机的运行频率也从早期的50Hz、60Hz发展到如今的几百甚至上千赫兹。非晶合金材料在不断发展、非晶合金电机优化设计技术也在不断深入，电机的性能也在不断提高。

但是，由于非晶合金材料的磁致伸缩系数相对较大，非晶铁心不能用夹件过分压紧，因此由磁致伸缩引起的非晶铁心振动所受的约束就比较小，这就是使得非晶合金电机的振动量级相对较大，相应产生的噪声较传统硅钢片电机要大。

目前国内外学者对硅钢片软磁材料的磁致伸缩特性进行了研究。英国卡迪夫大学Sakda Somkun等学者于2008年通过对M400-50A无取向电工钢片300mm×30mm样片在1T正弦交变磁场作用下的磁致伸缩特性的测量，得出当变频器开关频率的整数倍等于样片共振频率时，变频器供电下的磁致伸缩幅值比正弦波供电时提高达28%的结论[2]。

沈阳工业大学张艳丽等学者于2013年对电工钢片的磁致伸缩特性进行了测量，在测试数据的基础上利用线性压磁方程建立了磁致伸缩特性数学模型，计算了电工钢片因所处磁场发生变化而产生的磁致伸缩形变[3-4]。但文中并未考虑压力对磁致伸缩的影响。

同时国内外学者对电机等电气设备由磁致伸缩引起的振动噪声进行了研究。2000年，比利时KoenDelaere等对磁致伸缩导致电气装置的振动噪声进行研究，利用磁力耦合有限元方法获得磁致伸缩材料特性。通过研究表明，电磁力和磁致伸缩力通常共同作用改变磁性材料的形状，磁致伸缩力导致材料变形或振动[5]。

2006年英国帝国理工大学博士Anouar Belahcen基于虚功原理结合有限元方法建立磁弹性耦合方程，推导磁致伸缩力与磁场的关系[6]。2008年波兰的JerzyPODHAJECKI等学者通过基于有限元算法的二维数值程序的编写，对无刷直流电机空载时由麦克斯韦力和磁致伸缩引起的振动进行了计算。通过以上计算分析，最后得到以下结论：定子铁心中的磁致伸缩会使电机振动的量级增加；由于磁致伸缩引起的电机振动约等于麦克斯韦力产生的振动的20% [7]。

英国卡迪夫大学Sakda Somkun等人于2009年对无取向电工钢片的磁致伸缩各向异性对异步电机定子铁心形变的影响进行了研究，得出磁致伸缩的各向异性对定子齿的形变影响很大，考虑磁致伸缩的各向异性可以提高电机振动噪声计算的准确性[8]。

河北工业大学杨庆新、颜威利、祝丽花等学者于2013年研究了磁致伸缩和变频器供电引起的谐波对永磁电机振动的影响，文中采用磁—机械直接耦合的计算方法，得出了综合考虑电磁力、磁致伸缩及变频器供电谐波共同作用时的计算结果更接近实际值[9]。

以上国内外的研究工作都是基于硅钢片软磁材料磁致伸缩特性及硅钢片电机等电气设备由磁致伸缩引起的振动噪声进行的研究，对于非晶合金电机振动噪声的相关研究还未见公开发表的资料。

本文在现有研究工作的基础上，以一台2.1kW的非晶合金永磁电机为例，基于压磁方程，建立考虑磁致伸缩效应的磁—机械耦合模型。结合非晶合金磁化曲线和磁致伸缩特性曲线[10]对该电机的电磁场和机械场进行了计算，得到定子铁心的磁场分布、形变及振动加速度，并在此基础上分析电机周围声场分布。

通过振动噪声实验对计算方法进行验证，从理论计算与测量结果的比较验证了该耦合模型的正确性。通过对非晶合金电机的振动噪声计算和分析，为进一步减噪和降噪措施的提出奠定基础。

结论

本文对2.1kW非晶合金电机进行了电磁—机械振动的二维有限元数值计算，分析了电机周围振动噪声的分布，并进行了相关实验研究，得出以下结论：

（1）考虑磁致伸缩效应，建立了非晶合金永磁电机二维电磁—机械耦合数值模型。采用该耦合模型对2.1kW非晶合金永磁电机进行了磁场和振动的数值分析，计算结果与实验结果比较吻合验证了该数值模型的正确性。基于耦合模型振动计算的基础上对电机周围振动声场进行了分析，分析值与测量值相符，证实了该分析方法的可靠性。

（2）通过对硅钢片电机和非晶合金电机振动噪声影响因素的研究发现：磁致伸缩对硅钢片电机的振动噪声影响较小；磁致伸缩和叠压影响对非晶合金电机振动噪声影响较大，在计算非晶合金电机振动噪声时磁致伸缩和叠压影响不能被忽略。