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变频驱动下电机高频径向电磁力波研究

王振 郭辉 冯庆宝 王岩松 刘宁宁

王振, 郭辉, 冯庆宝, 王岩松, 刘宁宁. 变频驱动下电机高频径向电磁力波研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2024, 38(3): 231-239. doi: 10.12299/jsues.23-0199
引用本文: 王振, 郭辉, 冯庆宝, 王岩松, 刘宁宁. 变频驱动下电机高频径向电磁力波研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2024, 38(3): 231-239. doi: 10.12299/jsues.23-0199
WANG Zhen, GUO Hui, FENG Qingbao, WANG Yansong, LIU Ningning. Study on high frequency radial electromagnetic wave of motor driven by frequency conversion[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2024, 38(3): 231-239. doi: 10.12299/jsues.23-0199
Citation: WANG Zhen, GUO Hui, FENG Qingbao, WANG Yansong, LIU Ningning. Study on high frequency radial electromagnetic wave of motor driven by frequency conversion[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2024, 38(3): 231-239. doi: 10.12299/jsues.23-0199

变频驱动下电机高频径向电磁力波研究

doi: 10.12299/jsues.23-0199
基金项目: 国家自然科学基金资助(52172371)
详细信息
    作者简介:

    王振:王 振(1997−),男,硕生士,研究方向为变频器供电永磁同步电机PWM噪声机理。E-mail:502430680@qq.com

    通讯作者:

    郭 辉(1981−),男,教授,博士,研究方向为车辆振动噪声。E-mail:hgsues@163.com

  • 中图分类号: TM341

Study on high frequency radial electromagnetic wave of motor driven by frequency conversion

  • 摘要: 采用场路耦合法对永磁同步电机高频径向电磁力特征频率产生原因和主要组成成分进行研究。通过解析法分析谐波电流的产生机理及谐波特性,并利用数值仿真对其进行验证;结合磁动势−磁导法和麦克斯韦张量法分析出高频径向电磁力特征频率的分布;对有限元计算得到的气隙磁场进行时空分解,采用麦克斯韦张量法计算磁场相互作用产生的高频径向电磁力。结果表明,变频驱动下永磁同步电机的高频径向电磁力主要是由变频器谐波电流引入的谐波磁场和定子基波磁场的相互作用产生,这对永磁同步电机的研究提供了一定的指导意义。
  • 图  1  三相变频器主回路

    Figure  1.  Three phase inverter main circuit

    图  2  三相调制波和载波波形

    Figure  2.  Three-phase modulated wave and carrier waveform

    图  3  第一类贝塞尔函数曲线

    Figure  3.  The first kind of Bessel function curve

    图  4  永磁同步电机矢量控制模型

    Figure  4.  Vector control model of permanent magnet synchronous motor

    图  5  三相电流随时间的变化

    Figure  5.  Change of three-phase current with time

    图  6  A相电流频谱图

    Figure  6.  A-phase current spectrum diagram

    图  7  调制比对变频器谐波电流幅值的影响

    Figure  7.  Influence of modulation ratio on harmonic current amplitude of frequency converter

    图  8  永磁同步电机二维模型

    Figure  8.  Two dimensional model of permanent magnet synchronous motor

    图  9  变频器供电时气隙磁场的二维傅里叶分解

    Figure  9.  Two-dimensional Fourier decomposition of air gap magnetic field when inverter is powered

    图  10  径向电磁力二维傅里叶分解图

    Figure  10.  Two-dimensional Fourier decomposition diagram of radial electromagnetic force

    图  11  电机高频噪声频谱图

    Figure  11.  Frequency spectrum of motor noise

    表  1  内置式永磁同步电机的参数

    Table  1.   Parameters of built-in permanent magnet synchronous motors

    参数数据
    极对数P4
    定子电阻R0.6271
    d轴电感${L}_{d}$/mH4.06
    q轴电感$ {L}_{q} $/mH8.17
    永磁体磁链$ {\psi }_{f} $/$ \mathrm{W}\mathrm{b} $0.1998
    转动惯量J/(kg·m2)0.0168
    阻尼系数B/($\rm{N}·(\rm{m}·\rm{s^{-1})^{-1}}$)0.0114
    直流电压源Ed/V550
    开关频率$ {f}_{\rm{s}} $/Hz9000
    采样周期${T}_{\mathrm{s} }$/$ \mathrm{\mu }\mathrm{s} $10
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    表  2  0阶和8阶PWM谐波径向电磁力的主要频率分布

    Table  2.   Main frequency distribution of radial electromagnetic force of order 0 and order 8 PWM harmonics

    变频器电流
    谐波频率/Hz
    电磁力波
    空间阶次
    PWM谐波径向
    电磁力频率/Hz
    $ {f_{\rm{s}}} \pm 2{f_0} $0,8$ {f_{\rm{s}}} \pm {f_0} $
    $ {f_{\rm{s}}} \pm 3{f_0} $
    $ {f_{\rm{s}}} \pm 4{f_0} $0,8$ {f_{\rm{s}}} \pm 3{f_0} $
    $ {f_{\rm{s}}} \pm 5{f_0} $
    $ 2{f_{\rm{s}}} \pm {f_0} $0,8$ 2{f_{\rm{s}}} $
    $ 2{f_{\rm{s}}} \pm 2{f_0} $
    $ 2{f_{\rm{s}}} \pm 5{f_0} $0,8$ 2{f_{\rm{s}}} + 4{f_0} $
    $ 2{f_{\rm{s}}} \pm 6{f_0} $
    $ 2{f_{\rm{s}}} \pm 7{f_0} $0,8$ 2{f_{\rm{s}}} + 6{f_0} $
    $ 2{f_{\rm{s}}} \pm 8{f_0} $
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    表  3  PWM谐波径向电磁力主要成分验证

    Table  3.   Verification of main components of PWM harmonic radial electromagnetic force

    频率/HzPWM谐波与定子基波作用
    产生电磁力幅值/Pa
    有限元计算
    幅值/Pa
    百分比/
    %
    80001027.051106.8992.8
    840090.26103.0387.6
    86001117.311181.8294.5
    9200980.371040.3394.2
    960099.59113.0088.1
    10000880.77939.6193.7
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    表  4  噪声频率计算值与径向电磁力频率值的比较

    Table  4.   Comparison of calculated noise frequency with radial electromagnetic force frequency

    PWM谐波径向电磁力的
    频率/Hz
    有限元计算电机噪声
    频率/Hz
    误差/%
    8000 7940 0.75
    840083200.95
    880088600.68
    920093401.30
    960097201.25
    10000101801.80
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  • 收稿日期:  2023-09-18
  • 刊出日期:  2024-09-30

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