基于打孔添加负磁致伸缩材料的电机降噪方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910891359.5 (22)申请日 2019.09.20 (71)申请人 天津工业大学 地址 300387 天津市西青区宾水西道399号 (72)发明人 张欣王文斌何家俊 (51)Int.Cl. H02K 15/00(2006.01) H02K 11/02(2016.01) (54)发明名称 一种基于打孔添加负磁致伸缩材料的电机 降噪方法 (57)摘要 本发明公布了一种在电机定子上打孔并且 添加负磁致伸缩材料的电机降噪方法， 包括利用 合成符合实验要求的负磁致伸缩材料；。

2、 然后利用 有限元仿真获取4对极永磁同步电机在启动阶段 的磁路偏转程度大， 磁场畸变严重的区域， 获取 定子齿在采样周期内的应力和磁通量的变化信 息； 对电机定子进行实验， 证明磁路出现偏转， 磁 场产生畸变时会产生低倍频的电磁噪声； 最后对 电机定子上的打孔位置和孔径大小进行扫描遍 历计算， 获取最佳的打孔方案。 本发明有益效果 是： 可以有效的减小部分由磁致伸缩效应引起的 电机定子上的应力和形变量， 可以有效抑制永磁 同步电机的振动噪声， 具有一定的市场应用前景 特别是如潜艇， 电动汽车等对低噪声要求高的电 气设备。 权利要求书1页 说明书3页 附图5页 CN 110855096 A 20。

3、20.02.28 CN 110855096 A 1.一种基于打孔添加负磁致伸缩材料的电机降噪方法， 其特征是， 包含如下步骤： 步骤一： 建立电机二维电磁-机械耦合数值模型， 分析旋转磁场对电机定子铁芯磁致伸 缩特性的影响。 步骤二： 本发明会提前计算拟填充材料的特性， 并从正负磁致伸缩对消机制的角度， 实 现减小电机定子铁心应力从而降低噪声的目的。 步骤三： 本发明在电机定子铁心上进行了打孔位置和打孔半径扫描遍历计算的有限元 仿真， 并对磁通密度和应力进行仿真结果分析， 从不同时刻的应力形变图上看出， 随着磁路 的偏转， 磁场畸变程度产生变化， 电机定子齿表面和内部应力分布发生变化， 并且定。

4、子铁磁 区域的形变程度随着磁场畸变的增大而增大， 定子齿根部和顶端这些磁密集中的区域应力 大， 产生的形变量也最大。 步骤四： 在步骤二、 三的基础上， 设定打孔的形状为圆形， 所打的孔的半径为0.01m， 通 过改变打孔圆心相对定子模型中心位置的角度参数angle和距离r来扫描磁密度集中和磁 密度少的两个区域， 进行三组不同参数的对照实验， 处理扫描后的数据进行对比分析来确 定打孔的位置。 步骤五： 由步骤四得出来的数据， 在已确定的打孔位置上， 通过改变孔径r1来扫描和确 定最佳打孔孔径的大小， 本发明最终发现当选择孔径为0.009m， 在点r0.375， angle 1.18处打孔， 填。

5、充材料之后， 磁路偏移程度进一步减小， 磁场畸变变小， 定子齿表面的应力 和形变量也进一步减小。 通过对比发现定子齿上应力的最大值和最小值都有所减小， 最大 应力减小了7， 能最大程度的抑制由磁致伸缩效应引起的电磁噪声。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110855096 A 2 一种基于打孔添加负磁致伸缩材料的电机降噪方法 技术领域 0001 本发明涉及考虑磁致伸缩效应的电机降噪领域， 尤其涉及一种基于打孔添加负磁 致伸缩材料的电机降噪方法。 背景技术 0002 电磁噪声主要是在电磁力和磁致伸缩力的作用下， 电机定子铁芯和电机框架的振 动， 产生电磁振动噪声。 关于电磁力的研究较多， 可以。

6、通过降低电机径向力、 减小电机谐波、 优化电机结构来降低由电磁力引起的电磁噪声， 但是关于磁致伸缩力研究比较少， 抑制由 磁致伸缩效应引起的电磁噪声的研究就更少了。 0003 针对磁致伸缩效应， 目前的研究主要是有建立数学模型， 分析磁致伸缩力的机理。 关于降低磁致伸缩力的方法有利用电磁力抵消磁致伸缩力、 合理的电机极槽配比、 给同步 电机采用开辅助槽、 选择合适正弦绕组设计、 适度的增加定子轭厚等， 但是这些方法或多或 少存在实施困难， 难以试用于所有电机等问题。 发明内容 0004 针对现有技术中的不足， 本发明的目的是提供一种能够基于打孔添加负磁致伸缩 材料的电机降噪方法。 该方法可以用。

7、于大型电气设备的减振降噪， 例如潜艇、 电动汽车等， 利用负磁致伸缩效应来减小电机中由磁致伸缩效应引起的电磁振动噪声。 0005 所述的打孔添加负磁致伸缩材料降低电机的设计方法包括： 0006 用于填充负磁致伸缩材料的电机定子孔的最佳位置(由本发明提出)； 0007 用于建立电磁-机械耦合模型、 数值计算和应力分析的计算机； 0008 用于填充而制造的具有负磁致伸缩特性的材料Sm0.88Nd0.12Fe2； 0009 用于后期打孔的永磁同步电动机以及振动测试仪； 0010 本发明采用的技术方案是基于打孔添加负磁致伸缩材料的电机降噪方法， 所述方 法包含以下步骤： 0011 步骤一： 建立电机二。

8、维电磁-机械耦合数值模型， 分析旋转磁场对电机定子铁芯磁 致伸缩特性的影响。 0012 步骤二： 本发明会提前计算拟填充材料的特性， 并从正负磁致伸缩对消机制的角 度， 实现减小电机定子铁心应力从而降低噪声的目的。 0013 步骤三： 本发明在定子铁心上进行了打孔位置和打孔半径扫描遍历计算的有限元 仿真， 并对磁通密度和应力进行仿真结果分析， 从不同时刻的应力形变图可以看出， 随着磁 路的偏转， 磁场畸变程度产生变化， 电机定子齿表面和内部应力分布发生变化， 并且定子铁 磁区域的形变程度随着磁场畸变的增大而增大， 定子齿根部和顶端这些磁密集中的区域应 力较大， 产生的形变量也最大。 0014 。

9、步骤四： 在步骤二、 三的基础上， 设定打孔的形状为圆形。 所打的孔的半径为 0.01m， 通过改变打孔圆心相对定子模型中心位置的角度参数angle和距离r来扫描磁密度 说明书 1/3 页 3 CN 110855096 A 3 集中和磁密度相对较少的两个区域， 进行三组不同参数的对照实验， 处理扫描后的数据进 行对比分析来确定打孔的位置。 0015 步骤五： 由步骤四得出来的数据， 在已确定的打孔位置上， 通过改变孔径r1来扫描 和确定最佳打孔孔径的大小， 本发明最终发现当选择孔径为0.009m， 在点r0.375， angle 1.18 处打孔， 填充材料之后， 磁路偏移程度进一步减小， 磁。

10、场畸变变小， 定子齿表面的应 力和形变量也进一步减小。 通过对比发现定子齿上应力的最大值和最小值都有所减小， 最 大应力减小了大约7， 能最大程度的抑制一部分由磁致伸缩效应引起的电磁噪声。 附图说明 0016 图1是所建电机电磁-机械耦合数值模型的原理图； 0017 图2是电机定子上应力分析点选取图； 0018 图3是无磁致伸缩效应电机在旋转磁场下采样点应力图； 0019 图4是考虑磁致伸缩效应电机在旋转磁场下采样点应力； 0020 图5是Sm0.88Nd0.12Fe2合金的实验方案 0021 图6是原始电机未打孔0.03s时应力形变图； 0022 图7是电机最佳孔位处打孔后0.03s时应力形。

11、变图； 0023 图8是电机最佳孔位和最佳孔径处打孔后0.03s时应力形变图； 0024 图9是原始电机未打孔0-0.06ms应力最值表； 0025 图10是电机最佳孔位处打孔后0-0.06ms应力最值表； 0026 图11是电机最佳孔位和最佳孔径处打孔后0-0.06ms应力最值表； 具体实施方式 0027 本发明提供了一种基于打孔添加负磁致伸缩材料的电机降噪方法。 该方法可以用 于大型电气设备的减振降噪， 例如潜艇、 电动汽车等， 利用负磁致伸缩效应来减小电机中由 磁致伸缩效应引起的电磁振动噪声。 0028 所述的打孔添加负磁致伸缩材料降低电机的设计方法包括： 0029 用于填充负磁致伸缩材。

12、料的电机定子孔的最佳位置(由本发明提出)； 0030 用于建立电磁-机械耦合模型、 数值计算和应力分析的计算机； 0031 用于填充而制造的具有负磁致伸缩特性的材料Sm0.88Nd0.12Fe2； 0032 用于后期打孔的永磁同步电动机以及振动测试仪； 0033 下面结合附图及对电机电磁-机械耦合数值模型的构建、 原始电机磁致伸缩力的 分析、 拟填充材料的制备过程、 电机定子最佳打孔位置和孔径处的应力对比对本发明的一 种基于打孔添加负磁致伸缩材料的电机降噪方法加以说明， 其主要包括五个步骤： 0034 步骤1： 如图1所示， 在有限元分析软件COMSOL Multiphysics 5.3a中进。

13、行仿真时， 加入电机定子模型方程， 设定各种材料的属性， 求解域和边界条件， 在绕组中加入频率和幅 值可控的多路正弦电流源， 在电机定子中产生旋转磁场， 实现第一次电磁场的耦合建模。 然 后在模型中加入关于应力应变部分的机构力学方程， 将电磁场耦合计算出的电磁力作为载 荷加到力学模型中， 实现第二次电磁场与结构力场的耦合， 建立了包含磁致伸缩效应时电 磁-机械耦合的二维动态数值模型。 如图2所示， 在电机模型中选取四个点分别进行了不考 说明书 2/3 页 4 CN 110855096 A 4 虑磁致伸缩力和考虑磁致伸缩力的应力分析， 所得应力分析图分别如图3， 图4所示。 从两图 的对比可以指。

14、导考虑磁致伸缩力时， 电机的应力较大， 因此磁致伸缩力是电机噪声的一个 重要来源。 0035 步骤2： 利用负磁致伸缩效应来减小电机中由磁致伸缩效应引起的电磁振动噪声， 需要制备负磁致伸缩材料， 本次负磁致伸缩材料Sm0.88Nd0.12Fe2合金的制备实验方案如图5 所示。 该材料的负磁致伸缩与电机定子硅钢片的正磁致伸缩引起的形变基本相互抵消， (比 如在同一交变磁场下， 硅钢片沿磁场方向上伸长， 这时拟填充材料沿磁场方向缩短， 而垂直 磁场方向上拟填充材料会伸长， 尽管伸长的部分形变很微小， 还是可以在末端与端盖之间 增加弹性阻尼进行约束， 这样主要的磁致伸缩， 即沿磁场方向的硅钢片的伸长。

15、得到了抑制； 次要的磁致伸缩， 即垂直磁场方向拟填充材料的伸长也能得到抑制)从而可以达到降噪的 目的。 0036 步骤3： 计算原始未打孔电机一个周期内的应力， 得到0.03ms的应力如图6所示， 此 时0-0.06ms内的应力最值如图9所示。 固定预打孔的孔径大小， 在电机定子齿上进行打孔 位置的遍历扫描计算， 得到应力减小效果最好的位置， 0.03ms的应力如图7所示， 此时 0- 0.06ms内的应力最值如图10所示。 0037 步骤4： 在找到的最佳孔位处， 在电机定子齿上进行打孔半径的遍历扫描计算， 得 到应力减小效果最好的半径大小， 0.03ms的应力如图8所示， 此时0-0.06。

16、ms内的应力最值 如图 11所示。 0038 步骤5： 对比图9、 图10、 图11可以知道， 在合适的位置通过打孔填充一种负磁致伸 缩材料， 可以有效地减小电机在启动阶段的最大应力， 最大可以减小7的应力， 可以有效 地抑制在启动阶段的电磁振动噪声。 0039 实例结果显示将添加负磁致伸缩材料的孔位和孔径为特征量， 不同孔位和孔径的 选择， 电机启动阶段应力减小的结果不同。 本发明提供的是一种基于打孔添加负磁致伸缩 材料的电机降噪方法， 能够有效地抑制在启动阶段的电磁振动噪声。 0040 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述， 该描述没有局限性， 附图中所 示的也只是本发明的实施方式之。

17、一。 所以， 如果本领域的普通技术人员受其启示， 在不脱离 本发明创造宗旨的情况下， 采用其它形式的仿真实验方法或其它形式的打孔填充方式， 不 经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施示例， 均应属于本发明的保护范 围。 说明书 3/3 页 5 CN 110855096 A 5 图1 图2 说明书附图 1/5 页 6 CN 110855096 A 6 图3 图4 说明书附图 2/5 页 7 CN 110855096 A 7 图5 图6 说明书附图 3/5 页 8 CN 110855096 A 8 图7 图8 图9 说明书附图 4/5 页 9 CN 110855096 A 9 图10 图11 说明书附图 5/5 页 10 CN 110855096 A 10 。