一種利于開關磁阻電機降噪的新散熱筋結構

1、2005年9月電工技術學報Vol.20No.9第20卷第9期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYSep.2005一種利于開關磁阻電機降噪的新散熱筋結構孫劍波詹瓊華（華中科技大學電氣與電子工程學院武漢430074）摘要振動和噪聲問題阻礙了開關磁阻電機的推廣應用。由于定子的徑向振動是開關磁阻電機噪聲的主要根源，因此定子振動系統的模態(tài)分析是降噪研究的有效手段。本文在散熱筋用料一定的條件下，通過改

2、變散熱筋結構形式、高度、根數以及形狀，建立了八種計算模型，利用三維有限元模態(tài)分析對這些模型進行了仔細的分析和比較，最后得出了最有利于降噪和散熱的散熱筋結構是高度高、根數多、上窄下寬的梯形截面的周向散熱筋的結論。本文的研究對于低噪聲開關磁阻電機設計具有很好指導意義。關鍵詞：開關磁阻電機振動模態(tài)分析散熱筋中圖分類號：TM352ANovelRadiatingRibStructureofSwitchedReluctanceMotfLowAcou

3、sticNoiseSunJianboZhanQionghua（HuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074China）AbstractTheproblemsofvibrationacousticnoiselimittheapplicationofSwitchedReluctanceMots.Astheradialvibrationofstatistheiginoftheacousti

4、cnoiseofSwitchedReluctanceMotsmodalanalysisofstatvibrationistheeffectivewaytotheresearchoflowacousticnoise.Eightcomputativemodelsareconstructedbyvaryingthestructuralfmsheightquantityshapeofradiatingribsinthispaperunderth

5、econditionofthesameamountofradiatingribmaterial.Threedimensionfiniteelementmodalanalysisisadoptedtoanalyzecomparethesemodelscarefully.Eventuallytheconclusionisdrawnthattheringfmribs’schemeofhighermequantitynarrowtopbroad

6、bottomtrapezoidisthebestchoicetoreducetheacousticnoiseimproveheatdissipationundertheconditionthattheamountofribmaterialkeepsconstant.Theresearchwkisofgreathelptothedesignoflowacousticnoiseswitchedreluctancemots.Keywds：Sw

7、itchedreluctancemotvibrationmodalanalysisradiatingrib1引言開關磁阻電機（SwitchedReluctanceMot，SRM）具有一系列優(yōu)點：結構簡單堅固、維護量小，系統的容錯能力強，在缺相情況下仍能可靠運行；起動及低速時轉矩大、電流小，高速恒功率區(qū)范圍寬、性能好，調速范圍寬，在寬廣的轉速及功率范圍內均有高效率而且有很好的魯棒性。因此，20世紀90年代以來，已被越來越多地應用于電動車輛

8、、礦山、油田、紡織機械等工業(yè)部門的驅動系統。特別是它的高速（超高速）性能好和較強的容錯能力，使它在航空航天、高速離心機等環(huán)境惡劣且安全性要求很高的領域得到廣泛應用[1]。然而，開關磁阻電機較其他傳統電機有較大的噪聲，阻礙了它在一些場合的推廣應用。開關磁阻電動機的通電相定子極受脈動的徑向磁拉力作用，使殼體結構的定子產生壓縮形變而振動，構成了其噪聲的主要根源[2]。因此，對電機定子振動特性的研究對于降低電機噪聲有著非常重要的作用。電機定子的

9、振動固有頻率及其模態(tài)可以通過模收稿日期20050307改稿日期2005051136電工技術學報2005年9月同于定子軛，機殼、定子軛和定子極的材料屬性分別列于表1中。表1電機各部分的材料特性Tab.1Materialpropertiesofmot楊氏模量E（Nm?2）密度ρ（kgm?3）泊松比ν機殼（鑄鋁）0.7210112.801030.33定子軛（硅鋼片）1.52110110.93578000.3定子極（折算繞組后）1.521101

10、114.5291030.3模型Ⅰ是只考慮了定子鐵心、機殼和繞組影響，沒有散熱筋的計算模型。模型Ⅱ是在模型Ⅰ的基礎上添加了軸向散熱筋，主要是為了考察散熱筋對固有頻率的影響。模型Ⅲ是在模型Ⅱ的基礎上將傳統的沿軸向分布的散熱筋結構改為沿周向分布的散熱筋結構，并保持散熱筋的高度和總體積不變。模型Ⅲ的散熱筋縱向截面形狀為矩形。模型Ⅰ～模型III的有限元計算模型如圖1所示。模型Ⅰ模型Ⅱ模型Ⅲ圖1模型Ⅰ～模型Ⅲ的有限元計算模型Fig.1FEmodel

11、ofmodelItomodelIII模型IV是將模型III的散熱筋截面矩形的高度減半，根數不變，厚度增加，使變化前后的散熱筋總體積保持不變。模型V是在模型Ⅲ基礎上將散熱筋數目加倍，高度不變，厚度減半，同樣也保持了散熱筋總體積不變。模型VI是在模型Ⅲ基礎上，將散熱筋截面矩形改成上窄下寬的梯形，保持散熱筋高度、數目以及總體積不變。模型VII是在模型Ⅲ基礎上，將散熱筋截面矩形改成上寬下窄的梯形，保持散熱筋高度、數目以及總體積不變。模型VIII

12、將散熱筋的材料全部放到機殼中，使機殼變厚。模型Ⅲ到模型Ⅷ的縱向12截面圖如圖2所示。模型Ⅲ模型Ⅳ模型Ⅴ模型Ⅵ模型Ⅶ模型Ⅷ圖2模型Ⅲ～模型Ⅷ的12縱向截面圖Fig.212LongitudinalcrosssectionalviewofmodelⅢtomodelVIII4結果分析對上述八種模型做無任何機械約束的自由振動模態(tài)分析，得到的各階固有頻率如表2所示。為了便于比較，將表2中每個模型的各階固有頻率的較小值示于一個圖中，見圖3。在圖3中，

13、比較模型Ⅰ與模型Ⅱ的計算結果，發(fā)現2階到4階的固有頻率變化不大，而5階固有頻率有較大的差別。這說明：傳統的軸向散熱筋主要影響振動系統的高階固有頻率，而且會使高階固有頻率有所降低；比較模型Ⅰ和模型Ⅲ的計算結果，發(fā)現采用了周向散熱筋結構，系統的2、3和4階固有頻率有所上升，而5階固有頻率幾乎沒有變化。比較模型Ⅱ和模型Ⅲ的計算結果，發(fā)現模型Ⅲ的各階固有頻率都比模型Ⅱ的要高，且階數越高，增長的幅度越大。這說明：采用周向散熱筋結構比軸向散熱筋結構

14、的固有頻率高，且提高高階固有頻率的效果非常顯著；模型III到模型VII的計算結果都非常接近，而模型VIII只是5階固有頻率比它們略高，模型Ⅰ的5階固有頻率與它們的5階固有頻率都非常接近；比較模型Ⅰ和模型VIII，可以看出由于機殼厚度的增加，各階固有頻率都有所上升。由于通過圖3很難比較模型Ⅲ到模型VII的細微差別，所以再通過表2來觀察它們的結果差別：比較模型III與模型IV的計算結果，發(fā)現模型IV的各階固有頻率都比模型III略低，這說明散