U型单相自起动永磁同步电机电磁振动与噪声分析付敏邓佳慧于静宋瀚生摘要：针对U型单相自起动永磁同步电机在运行中出现的振动与噪声问题进行数值仿真分析。采用时步有限元法与二维傅里叶分解相结合的方法，获得电机定子内圆处的径向、切向电磁力的频率、阶次和幅值的对应关系;采用动力学有限元法与声场边界元法的非耦合直接计算，对单相电机的振动噪声进行分析。结果表明，单相永磁电机中电磁力的切向分量大于径向分量，在分析振动噪声问题时不可忽略切向电磁力，影响电机振动的主要是1、2、3阶次对应的2倍频和4倍频谐波分量，这一结论为深入探求削弱电机振动噪声的方法提供了理论依据。关键词：单相永磁电机;U型电机;有限元分析;电磁力;振动与噪声;二维傅里叶分解DOI：10.15938/j.emc.2020.06.008：TM351文献标志码：A：1007-449X（2020）06-0064-08AnalysisonelectromagneticvibrationandnoiseofU-typesinglephaseself-startingpermanentmagnetsynchronousmotorFUMin1，DENG激a-hui1，YU激ng2，SONGHan-sheng2（1.SchoolofElectricalandElectronicEngineering，HarbinUniversityofScienceandTechnology，Harbin150080，China;2.HarbinElectricMachineryCompanyLimited，Harbin150040，China）Abstract：ThisanalyzesthevibrationandnoiseofU-typesingle-phaseself-startingpermanentmagnetsynchronousmotor（PMSM）inoperationbynumericalsimulation.Thetime-stepfiniteelementmethodandthetwo-dimensionalFourierdecompositionmethodwereusedtoobtainthecorrespondingrelationshipbetweenthefrequency，orderandamplitudeofradialandtangentialelectromagneticforceattheinnercircleofthestatorofthemotor.Thedynamicsfiniteelementmethodandthesoundfieldboundaryelementmethodwereusedforuncoupleddirectcalculationtoanalyzethevibrationandnoiseofthesingle-phasemotor.Theresultsshowthatthetangentialcomponentoftheelectromagneticforceinthesingle-phasepermanentmagnetmotorisgreaterthantheradialcomponent，andthetangentialelectromagneticforcecannotbeignoredwhenanalyzingvibrationnoise.Themainfactorsthataffectthevibrationofthemotorarethe2ndand4thharmoniccomponentscorrespondingtothe1，2，and3orders.Thisconclusionprovidesatheoreticalbasisforfurtherexplorationofthemethodtoweakenthevibrationandnoiseofthemotor.Keywords：singlephasepermanentmagnetmotor;U-typemotor;finiteelementanalysis;electromagneticforce;vibrationandnoise;two-dimensionalFourierdecomposition0引言20世纪70年代H.Schemmann提出了一种具有特殊结构的驱动元件—U型单相永磁同步电机，并对该电机进行了初步的理论分析。由于该电机结构简单，制造成本低廉，使用寿命长等优点，广泛应用于泵类、风机等小功率家用电器中[1-2]。该单相电机起动时不需要外加电容器以及起动控制器等辅助设备，接通电源后可以自行起动的，因此将该电机称为U型单相自起动永磁同步电机。同时研究发现，单相电机产生的交变力矩以及集中式绕组建立的电枢反应磁势中含有丰富的谐波分量使得转速在同步转速附近一个区域内波动，同时加重了电机的振动和噪声[3-4]。近年来对U型电机的运行原理、起动问题等方面有较多的研究。PereiraLA和LocatelliER推導了电机定子结构与电磁参数的解析表达式[5]。日本学者FeiZhao和ThomasA.Lipo在U型单相永磁同步电机的基础上提出了一种两相两级双定子结构的永磁同步电机，该电机永磁体转子分为两段，两段转子正负极轴线方向相互垂直，这种结构减小了电机起动时转速的波动情况[6]。文献[7]为了提高电机的起动性能、减小转速的波动，分析了不对称气隙结构对电机磁场、定位转矩以及转子初始相位角θ的影响。电机振动与噪声的分析与研究一直是国内外学者深入探讨并广泛关注的问题，低噪声更是家用电机性能指标。文献[8]利用麦克斯韦应力法对汽轮发电机转子表面的磁应力分布进行了有限元计算。文献[9]和[10]中采用场-路耦合时步有限元与麦克斯韦应力法相结合的方法针对短路...