无刷电机电磁噪音振动的最主要原因分析和有效解决途径.docx

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无刷电机电磁噪音振动的最主要原因分析和有效解决途径

这个板块中关于噪音的问题非常多。

在此我总结了1下，只从最常见发生机率最大也是刚刚开始做无刷最容易忽视的情况做1个分析和有效解决方案，我看好多的噪音求助就属于我下面要说的噪音种类了。

先说这种情况下的原因，解决方案相信大家看完了就应该知道怎么做了。

所有的电动机均呈现某种形式的齿槽效应。

齿槽效应越低电动机转动越平稳。

在电动机和电动机的铁芯结构中的磁体所产生的非均匀磁场形成了齿槽效应：

当转子中的磁体切割定子齿时产生磁力。

当磁力从1个齿转到另外1个齿时，磁力帮助或阻止转动，使转子有规律的加速或者减速。

不均匀的磁拉力产生的齿槽效应。

电动机转动不平稳会引起速度脉动和转矩脉动、效率损耗、振动和噪音。

速度脉动是指全过程内的速度变化或者速度波动；而转矩脉动则描述了全过程内的转矩变化，槽中绕铜导线将增加这一效果。

而从1个齿到另外1个齿的不平衡拉力也在转子中产生了径向偏差，根据这一个产生的齿槽效应的强弱，相应幅度的电磁振动和电磁噪音将随之出现。

这种情况在无刷电机中表现最为明显。

根据这个基础在保证满足基本性能要求情况下，调整相关参数或气隙或磁钢磁场强度或者其他，只要是减弱齿槽效应的就可以，相对来说已经做好的电机调气隙是最方便的，直接降低了气隙磁密，这样可以解决或者削弱90%（这里不是说噪音的幅度是说电磁噪音的种类）以上的电磁噪音，只不过需要牺牲其他方面的性能。

具体调整矛盾的程度自己把握控制。

至于为什么，因为不管是电枢结构或者是电磁参数不当或者材料共振频率或者其他原因所形成的电磁振动噪音最终要表现于外时，必须得通过1个途径，那就是气隙。

控制了气隙也就可以直接影响电磁振动。

这里要说明一下电磁振动是电磁噪音的声源，他们本为1体，只不过因为其他相关原因表现出来的幅度不同而已。

这里我有点疑惑，这个相对于做过成熟的无刷设计者来说应该是众所周知了的问题吧？

为什么没人把它明白的说出来，这个论坛上我没见到人说，只看见到处的噪音求助和讨论。

强磁无刷哦，比如我拿个例子来说，我以前做了个2.2kw的永磁无刷，磁钢是4mm厚，气隙1.0,做出来的电机那个电磁噪音无法抑制，什么加厚磁轭，什么控制机座的共振频率，什么改齿宽1系列减弱电机因齿槽效应的的方法来改都不行，照样噪音，后来把通过把转子外径车小了，1步1步的做到了1.6气隙才噪音才变没了，好了，这个时候的电机性能拿去和以前的1.0气隙的性能比却没降多少哦，知道为什么没？

呵呵，原来是4mm的磁钢太厚了，材料过剩浪费了，就是说设计方案好多都存在输出过剩，设计出来后电机性能比设计的性能高的多哦，所以减了后并不降低多少的，这个样机我后来用了2.5mm的磁钢，气隙1.7mm，绕组稍微补偿了点，结果是性能ok，空载电流才0.14A（原来的空载电流是现在的10倍）负载电流也比原来的低，振动噪音全过。

重申：

在这个论坛上叫喊噪音的做无刷电机的估计都是把气隙磁密取的过高来设计电机的，而在强磁电机设计中要想取合适的电机磁密，就只能加大气隙来适应，所以在有些时候能用粘接磁的地方就别用烧结磁了，浪费了。

硬要用烧结磁的话就只要加大气隙，不然产生的振动噪音就n难搞定。

当然有相关特殊要求的的电机不在此列。

小无刷电机或者其他常规电机的情况和大无刷电机的不一样的

电机由于在加工过程中所带来的误差造成感应电动势的不完全对称、永磁材料的不一致、电源容量的限制、磁极极弧系数的限制、定子换向过程的影响、工作过程中电机参数的变化等，都会带来转矩的波动。

无刷直流电机转矩脉动根据产生原因的不同可分为非理想反电势波形引起转矩脉动、齿槽转矩脉动、换相转矩脉动等。

1、非理想反电势波形引起转矩脉动：

谐波转矩脉动产生的原因由于无刷直流电机反电势不是理想的梯形波，而控制系统仍是按理想的梯形波反电势给电机电枢绕组提供方波电流。

此类转矩脉动解决的办法有两个，一种解决方法是事先通过预测反电动势，采用合适的控制方法寻找最佳的电流波形来消除转矩脉动。

这种最佳电

流法能消除非理想反电势引起的转矩脉动，但事先要对反电势进行实时跟踪，且根据测得的反电势快速计算最优电流也不易，可行性不是很好，不能从根本上解决问题。

另一种方法是通过对电机本体定子绕组、气隙齿槽的优化设计，使无刷电机的反电势趋向于理想的反电势波形，从而达到减少电机转矩脉动的目的。

2、齿槽转矩脉动

齿槽转矩脉动是由于定子铁心槽齿的存在，使得永磁体与对应的电枢表面的气隙磁导不均匀，当转子旋转时，在一个磁状态内，磁路磁阻发生变化从而引起的转矩脉动。

齿槽转矩脉动与定子电流无关，是电机本身构造所存在的缺陷。

当转矩频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩脉动和噪声将被放大，影响电机在速度控制系统中的低速性能，和位置控制系统中的高精度定位。

抑制由齿槽引起的转矩脉动的方法主要集中于优化电机设计上，主要包括:

斜槽法、分数槽法、磁性槽楔法、闭口槽法和无齿槽绕组法等。

3、换相转矩脉动

换相转矩脉动是方波型无刷直流电机特有的问题。

它是由于电机电枢绕组相电感的延时作用，从而在电机换相时所产生的转矩脉动。

换相转矩脉动的抑制主要有以下四种方法:

重叠换相法

滞环电流法

PWM斩波法

电流预测控制

2相数选择

　　无刷直流永磁电动机和永磁同步电动机相似，电枢放置多相绕组，多相绕组由功率电子元件的开关电路供电，不受工频电源限制，电枢绕组相数可在较大范围内选择。

绕组的相数可选二、三、四、五……直至十五相，但用得最多的是三相及四相，五相以上的相数用得较少。

　　绕组相数选择应该考虑到：

绕组的利用程度、电子开关电路的复杂程度及成本、转矩脉动及电子元件应力等，根据不同的使用条件来综合决定相数。

2．1绕组利用程度

　　在有刷直流电动机运行的任何时刻绕组里所有导体都通电，除换向元件外，都产生转矩。

而在无刷直流电动机运行时绕组是依次一相一相通电（或几相通电）产生转矩，从这个角度看，相数越多，绕组利用程度越低。

文献［2］给出两台三相及四相单极型无刷直流电机对比，两台电机具有相同的尺寸、电压、控制电路布局及铁耗，四相电机转矩密度大9％，用铜量增加36％。

2．2电子线路复杂程度及成本

　　相数增加，所用开关元件数增加，电路复杂，成本也增高。

2．3转矩脉动

　　无刷直流电动机转矩脉动比有刷电机大。

相数越多，转矩脉动就越小，研究和实验表明相近的奇数相比偶数相转矩脉动小。

2．4电子元件的应力

　　在保证不同相数有相同的出力及电压的前提下，随相数增加，每相电流减少，因而元件的电应力减少。

3极数选择

　　无刷直流电动机的磁极对数p与电机转速n之间不象永磁同步电动机有着如式

（1）的严格对应关系

（1）

式中:

f—同步电动机供电频率。

　　但无刷直流电机转速与极对数（通过反电势）有一定的约束关系，以三相星形桥式六状态电路为例，理想空载转速n0

（2）

式中：

u—电源电压；

　　　ΔuT—电子开关电路管压降；

　　　W1—相绕组匝数；

　　　Kdp—绕组系数；

　　　Φδ0—气隙磁通。

　　在电机主要尺寸确定，选择极对数时，应综合考虑运行性能和经济指标，参照直流电机极对数选择方法作几个方案比较，而不是一个唯一定数。

3．1极对数与材料利用率

　　若气隙磁密及电枢直径不变，2pΦδ实际不变。

随着极数增加，每极磁通减少，使得电枢轭及定子轭部减少，用铜用铁量减少，所以外转子低速运转无刷电机多数选取极数较多。

3．2极对数与电机效率

　　随着极对数增加，铁芯磁场交变频率增高，铁耗增加，电子器件换向损耗增加。

虽然电枢电流密度不变时，铜耗略有降低，电动机的效率还是随着极对数的增加而降低。

3．3极对数与电感

　　极对数增多，电枢每相电感减少，对换相有利。

4槽数选择

4．1整数槽绕组

　　有些资料认为无刷直流电机的槽数应为相数和极对数的整数倍，这是针对微型无刷直流电动机往往采用整距集中绕组而言。

例如二对极三相时槽数应为12。

为了构成多相对称绕组，槽数必须是相数的整数倍，但不一定是极数的整数倍。

随着功率增大或外转子应用，为了改善电机性能，电枢绕组也可以采用分数绕组，

z＝2pmq　　（3）

式中：

q—每极每相槽数，可以为整数，也可以为分数。

4．2分数槽绕组

　　分数槽绕组的无刷直流电动机，电枢槽数不仅可以不是极数的整数倍，而且槽数可以少于磁极数，只要满足绕组对称条件就能保证各相产生的转矩对称。

常见的分数槽绕组q为一个假分数

　　（4）

式中，b为整数，c/d为一不可约的真分数，该种绕组的对称条件及排列方法［3］已介绍。

当z＜2p，q为真分数，是否能够组成对称绕组，对称条件又是如何?

仔细分析交流绕组的对称条件对q为真分数时依然适用。

可以简洁表述为

　　（5）

式中：

d与c为无公约数，当d不是m或m的倍数，如果各相绕组彼此位移2c（d为奇数）或c个槽距（d为偶数），则该绕组必定是对称的。

　　例1：

电动自行车用外转子三相无刷直流电机，其定子（电枢）36槽，转子用钕铁硼磁钢，20对极。

则　　

即d＝10,c=3，每相绕组彼此位移3个槽，符合对称条件。

三相绕组排列分配如下：

A12*31011*12相1920*212829*30B78*91314*15相2526*273435*36C45*61617*18相2223*243132*33

（注：

代表槽内绕组要反接）

　　例2:

洗衣机洗涤及脱水用无刷直流电动机，定子（电枢）45槽，外转子用铁氧体磁钢，30对极。

则　　

即d=4,c=1，每相绕组位移一个槽，符合对称条件，三相绕组排列分配如下：

A1471013161922相25283134374043B3691215182124相27303336394245C2581114172023相26293235384144

5绕组的连接

　　三相及多相无刷直流电动机电枢绕组连接方法主要有星形和多边形连接。

下图表示由桥形电路供电五相永磁无刷电机电枢绕组连接图。

　　其中：

SA……SE及表示由晶体管组组成开关电路，WA……WE表示电枢绕组。

图中实线表示星形联接，五相绕组有一个星形中点O。

五相绕组按虚线联接则构成多边形联接。

五相永磁无刷电机电枢绕组连接图

　　多相绕组联接成星形可以有一个中点或多个中点。

例如一个六相绕组，可以将A、B、C、D、E、F各绕组联接一个中点，也可以把A、C、E三相联接成一个中点，再把B、D、F三相联接成另一个中点。

接成多边形也可以有不同的联接次序，例如上述五相电枢绕组可以一次联接，按A-B-C-D-E-A顺序接成五边形，也可分两次联接，按A-C-E-B-D-A顺序接成五角星形。

　　不同的联接方式，同一种联接方式中点数目不同或联接次序不同，采用适当的通电方式，对电机主要性能没有太大影响，但影响电子开关线路的参数，影响电枢磁势中谐波含量，影响转矩脉动。

6结　语

　　本文分析了无刷直流电动机设计时，对相数、极数、槽数及绕组联接选择应考虑的问题，在遵从一定的基本原则基础上，可以有较多方案选择，明确这些问题对没有成熟设计经验或特殊要求的永磁无刷直流电动机的设计将有所裨益。