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船舶用表贴式永磁同步电机的
电磁振动分析与抑制
摘要船舶用永磁同步电机的电磁振动水平直接影响船舶的综合性能。该文针对一台50kW
船舶用表贴式永磁同步电机，首先基于理论推导详细分析了该电机产生的电磁激振力来源及谐波
特征，并利用有限元法进行了验证；其次，分别采用解析法和有限元法求解定子固有频率，并结
合电磁激振力的频率特征，验证电机设计的合理性；然后，建立电机的磁-固耦合模型，对其振动
响应进行有限元计算，得到监测点的振动频响特性及特征频率；最后，在保持原电机输出平均转
矩的前提下，提出一种混合磁极转子结构来削弱低阶电磁激振力谐波分量进而抑制电磁振动。结
果表明，优化后的电机在保持良好转矩性能的同时，电磁振动得到了有效抑制，并通过样机实验
验证了仿真结果的有效性。
关键词：表贴式永磁电机电磁激振力电磁振动混合磁极有限元法
0引言驱动领域的应用更为广泛[8]。
电磁振动主要由作用在电机定子结构上的电磁
电机作为船舶重要动力组成部分，大量应用于
激振力波动引起，在如何抑制永磁同步电机电磁激
风机、泵机、发电设备及推进装置中[1-2]。电机在旋
振力和电磁振动的方法上，国内外做了很多研究，
转的同时必然会引起机械结构的振动，影响电机稳
主要可以分为两大类：一类是对电机控制策略进行
定运行。同时，由振动引起的噪声也会导致船员反
优化[9-12]；另一类是优化电机本体结构，即通过调整
应速度下降，严重情况下还可能引起神经系统疾病
电机定、转子结构或参数来抑制电磁激振力和电磁
发生，因此，大部分造船厂对电机振动等级都有很
高要求，往往将振动性能与电气性能作为同等级评振动。在电机本体优化设计方面，文献[13]分析了
判标准[3]。永磁同步电机因具有高功率密度、运行四台不同极槽参数永磁电机的电磁激振力和电磁
可靠等优点，被广泛应用于船舶驱动领域[4-6]，但是噪声特性，其研究结果表明，极槽配合是影响电机
一台设计不良的永磁同步电机却可能存在严重的振振动噪声的重要因素，在设计电机时需要合理地选
动噪声问题。永磁同步电机的噪声辐射与电磁振动择极槽参数。文献[14]通过推理计算得出永磁电机
之间存在很强的关联性[7]，研究永磁同步电机电磁电磁激振力的非零最小阶数为定子槽数和极数的
振动及其激振源的相关问题对于提高船舶用电机综最大公约数，并且低阶力波会在电机内引起较大振
合性能和产品竞争力具有重要现实意义。表贴式永动，因此分数槽永磁电机振动水平相比于传统整数
磁同步电机的永磁体安装在转子铁心圆周表面，隐槽电机更高。文献[15]根据电磁激振力空间分布规
极结构有利于降低其磁场谐波。同时，表贴式永磁律，提出一种定子齿顶偏移结构来削弱电磁振动，
同步电机较低的转矩脉动确保了电机的稳定运行，并利用有限元法验证了优化后电机的性能提升，文
并且由于其结构简单、便于维护，此类电机在船舶献[16]采用了定子齿削角方法，同样取得了有益效
果。文献[17]针对一台12极36槽内置式永磁电机，
首先改变转子磁极表面形状，使气隙长度满足反余
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