Magnetic Vibrations of a Brushless Permanent Magnet Motor's Stator Core
Keywords:
waves and frequencies of radial and tangential tensions, higher harmonics of magnetic induction, displacement amplitudes and vibration velocities, noise frequency response, resonant frequencies, reactive torque
Abstract
The radial and tangential tensions causing force effects on the stator core are considered as applied to a 150 kW brushless permanent magnet motor. The orders of tension waves, their displacement velocities, and the frequencies of forced force actions are analyzed. The electromagnetic torques of tangential tensions are investigated. It is shown that with non-sinusoidal excitation of the rotor, same-order higher harmonics of the magnetic induction from the rotor magnets and stator currents cause high-frequency electromagnetic torques. Three resonant frequencies of the stator core at radial magnetic forces are calculated. The stator core radial displacement amplitudes and vibration velocities were determined, which have been found to be close to experimental data. An experimental frequency response of the motor casing noise for its idle operation mode is obtained. Comments regarding the sources of noise bursts occurring at a number of frequencies are given. The influence of insufficiently suppressed high-frequency reactive torque (the "walking" torque) on the motor noise is pointed out. It is shown that the presence of a residual reactive torque with an amplitude measured from experiment leads to a rather high burst of motor casing noise at a frequency of 3500 Hz.
References
1. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах. М.: Высшая школа, 1989, 312 с.
2. Ахматов М.Г. Синхронные машины. Специальный курс. М.: Высшая школа, 1984, 135 с.
3. Адволоткин Н.П. и др. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока. Л.: Энергоатомиздат, 1984, 160 с.
4. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978, 832 с.
5. Афанасьев А.А. и др. Аналитическое и численное моделирование магнитоэлектрических вентильных двигателей. – Электричество, 2021, № 6, с. 72–78.
6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. СПб.: Лань, 2010, 608 с.
7. Детинко Ф.М., Загородная Г.А., Фастовский В.М. Прочность и колебания электрических машин. Л.: Энергия, 1969, 440 с.
8. Титов В.В. и др. Турбогенераторы. Л.: Энергия, 1967, 896 с.
9. Глебов И.А. Гидрогенераторы. Л.: Энергоиздат, 1982, 368 с.
10. Молотилов Б.В. и др. Холоднокатаные электротехнические стали: Справочник. М.: Металлургия, 1989, 168 с.
11. Шевчук Р.Э., Гаев А.В. Метод приближенного решения задачи о колебаниях сердечников статоров. – Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2017, т. 23, № 1, с. 98–106.
12. Лазароиу Д.Ф., Бикир Н. Шум электрических машин и трансформаторов. М.: Энергия, 1973, 271 с.
13. Шубов И.Г. Шум и вибрация электрических машин. Л.: Энергоатомиздат, 1986, 208 с.
14. Исаков В.М., Федорович М.А. Виброшумозащита в электромашиностроении. Л.: Энергоатомиздат, 1986, 208 с.
15. Исакович М.М., Клейман Л.И., Перчанок Б.Х. Устранение вибрации электрических машин. Л.: Энергия, 1979, 200 с.
16. Кучер В.Я. Вибрация и шум электрических машин: Письменные лекции. СПб: СЗТУ, 2004, 81 с.
17. Астахов Н.В. и др. Расчёт магнитных вибраций асинхронных двигателей / Под ред. В.Я. Беспалова. М.: МЭИ, 1985, 96 с.
18. Электрические машины. М.: Изд-во стандартов, 1968, 528 с.
19. ГОСТ IEC 60034-14–2014. Машины электрические вращающиеся. Часть 14. Механическая вибрация некоторых видов машин с высотами вала 56 мм и более. Измерения, оценка и пределы жесткости вибраций. М.: Стандартинформ, 2015, 12 с.
20. Noise and Vibration in PM Motors – Sources and Remedies [Электрон. ресурс], URL: https://ru.scribd.com/document/327754885/Noise-and-Vibration-in-PM-Motors-Sources-and-Remedies (дата обращения 19.10.2021).
21. Афанасьев А.А. Аналитические и численные методы решения задач электромеханики на основе комплексного магнитного потенциала. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2017, 430 с.
22. Астахов Н.В. и др. Проектирование электрических машин с пониженными уровнями вибрации. Машины постоянного тока. М.: МЭИ, 1985, 75 с.
#
1. Ivanov-Smolenskiy A.V. Elektromagnitnye sily i preobrazovanie energii v elektricheskih mashinah (Electromagnetic Forces and Energy Conversion in Electric Machines). М.: Vysshaya shkola, 1989, 312 p.
2. Ahmatov M.G. Sinhronnye mashiny. Spetsial'nyy kurs (Synchro-nous machines. Special course). М.: Vysshaya shkola, 1984, 135 p.
3. Advolotkin N.P., et al. Upravlyaemye beskontaktnye dvigateli postoyannogo toka (Controlled contactless DC motors). Л.: Energoatomizdat, 1984, 160 p.
4. Vol'dek A.I. Elektricheskie mashiny (Electric Machines). L.: Energiya, 1978, 832 p.
5. Afanas'ev А.А., et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 6, pp. 72–78.
6. Bronshteyn I.N., Semendyaev K.A. Spravochnik po matematike dlya inzhenerov i uchashchihsya vtuzov (Handbook of Mathematics for Engineers and Students of Higher Education Institutions). SPb.: Lan', 2010, 608 p.
7. Detinko F.M., Zagorodnaya G.A., Fastovskiy V.M. Prochnost' i kolebaniya elektricheskih mashin (Strength and Vibrations of Electric Machines). L.: Energiya, 1969, 440 p.
8. Titov V.V., et al. Turbogeneratory (Turbo Generators). L.: Energiya, 1967, 896 p.
9. Glebov I.A. Gidrogeneratory (Hydro Generators). L.: Energoizdat, 1982, 368 p.
10. Molotilov B.V., et al. Holodnokatanye elektrotekhnicheskie stali: Spravochnik (Cold-Rolled Electrical Steels: Guide). М.: Metallurgiya, 1989, 168 p.
11. Shevchuk R.E., Gaev A.V. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbGPU – in Russ. (Scientific and Technical Bulletin of SPbSPU), 2017, vol. 23, No. 1, pp. 98–106.
12. Lazaroiu D.F., Bikir N. Shum elektricheskih mashin i transformatorov (Noise of Electrical Machines and Transformers). М.: Energiya, 1973, 271 p.
13. Shubov I.G. Shum i vibratsiya elektricheskih mashin (Noise and Vibration of Electric Machines). L.: Energoatomizdat, 1986, 208 p.
14. Isakov V.M., Fedorovich М.А. Vibroshumozashchita v elektromashinostroenii (Vibration and Noise protection in Electric Machine Industry). L.: Energoatomizdat, 1986, 208 p.
15. Isakovich M.M., Kleyman L.I., Perchanok B.H. Ustranenie vibratsii elektricheskih mashin (Elimination of Electric Machine Vibration). L.: Energiya, 1979, 200 p.
16. Kucher V.Ya. Vibratsiya i shum elektricheskih mashin: Pis'mennye lektsii (Vibration and Noise of Electric Machines: Written Lectures). SPb: SZТU, 2004, 81 p.
17. Astahov N.V., et al. Raschyot magnitnyh vibratsiy asinhronnyh dvigateley (Calculation of Magnetic Vibrations of Asynchronous Motors) / Under ed. V.Ya. Bespalov. М.: МEI, 1985, 96 p.
18. Elektricheskie mashiny (Electric Machines). М.: Izd-vo standartov, 1968, 528 p.
19. GОSТ IEC 60034-14–2014. Mashiny elektricheskie vra-shchayushchiesya. CHast' 14. Mekhanicheskaya vibratsiya nekotoryh vidov mashin s vysotami vala 56 mm i bolee. Izmereniya, otsenka i predely zhestkosti vibratsiy (Rotating electrical machines. Part 14 Mechanical vibration of certain machines with shaft heights S6 mm and higher. Measurement, evaluation and limits of vibration severity). М.: Standartinform, 2015, 12 p.
20. Noise and Vibration in PM Motors – Sources and Remedies [Electron. resource], URL: https://ru.scribd.com/document/327754885/Noise-and-Vibration-in-PM-Motors-Sources-and-Remedies (Date of appeal 19.10.2021).
21. Afanas'ev А.А. Analiticheskie i chislennye metody resheniya zadach elektromekhaniki na osnove kompleksnogo magnitnogo potentsiala (Analytical and Numerical Methods for Solving Problems of Electromechanics Based on a Complex Magnetic Potential). Cheboksary: Izd-vo Chuvash. un-ta, 2017, 430 p.
22. Astahov N.V., et al. Proektirovanie elektricheskih mashin s ponizhennymi urovnyami vibratsii. Mashiny postoyannogo toka (Design of Electric Machines with Reduced Vibration Levels. DC Machines). М.: МEI, 1985, 75 p.
2. Ахматов М.Г. Синхронные машины. Специальный курс. М.: Высшая школа, 1984, 135 с.
3. Адволоткин Н.П. и др. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока. Л.: Энергоатомиздат, 1984, 160 с.
4. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978, 832 с.
5. Афанасьев А.А. и др. Аналитическое и численное моделирование магнитоэлектрических вентильных двигателей. – Электричество, 2021, № 6, с. 72–78.
6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. СПб.: Лань, 2010, 608 с.
7. Детинко Ф.М., Загородная Г.А., Фастовский В.М. Прочность и колебания электрических машин. Л.: Энергия, 1969, 440 с.
8. Титов В.В. и др. Турбогенераторы. Л.: Энергия, 1967, 896 с.
9. Глебов И.А. Гидрогенераторы. Л.: Энергоиздат, 1982, 368 с.
10. Молотилов Б.В. и др. Холоднокатаные электротехнические стали: Справочник. М.: Металлургия, 1989, 168 с.
11. Шевчук Р.Э., Гаев А.В. Метод приближенного решения задачи о колебаниях сердечников статоров. – Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2017, т. 23, № 1, с. 98–106.
12. Лазароиу Д.Ф., Бикир Н. Шум электрических машин и трансформаторов. М.: Энергия, 1973, 271 с.
13. Шубов И.Г. Шум и вибрация электрических машин. Л.: Энергоатомиздат, 1986, 208 с.
14. Исаков В.М., Федорович М.А. Виброшумозащита в электромашиностроении. Л.: Энергоатомиздат, 1986, 208 с.
15. Исакович М.М., Клейман Л.И., Перчанок Б.Х. Устранение вибрации электрических машин. Л.: Энергия, 1979, 200 с.
16. Кучер В.Я. Вибрация и шум электрических машин: Письменные лекции. СПб: СЗТУ, 2004, 81 с.
17. Астахов Н.В. и др. Расчёт магнитных вибраций асинхронных двигателей / Под ред. В.Я. Беспалова. М.: МЭИ, 1985, 96 с.
18. Электрические машины. М.: Изд-во стандартов, 1968, 528 с.
19. ГОСТ IEC 60034-14–2014. Машины электрические вращающиеся. Часть 14. Механическая вибрация некоторых видов машин с высотами вала 56 мм и более. Измерения, оценка и пределы жесткости вибраций. М.: Стандартинформ, 2015, 12 с.
20. Noise and Vibration in PM Motors – Sources and Remedies [Электрон. ресурс], URL: https://ru.scribd.com/document/327754885/Noise-and-Vibration-in-PM-Motors-Sources-and-Remedies (дата обращения 19.10.2021).
21. Афанасьев А.А. Аналитические и численные методы решения задач электромеханики на основе комплексного магнитного потенциала. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2017, 430 с.
22. Астахов Н.В. и др. Проектирование электрических машин с пониженными уровнями вибрации. Машины постоянного тока. М.: МЭИ, 1985, 75 с.
#
1. Ivanov-Smolenskiy A.V. Elektromagnitnye sily i preobrazovanie energii v elektricheskih mashinah (Electromagnetic Forces and Energy Conversion in Electric Machines). М.: Vysshaya shkola, 1989, 312 p.
2. Ahmatov M.G. Sinhronnye mashiny. Spetsial'nyy kurs (Synchro-nous machines. Special course). М.: Vysshaya shkola, 1984, 135 p.
3. Advolotkin N.P., et al. Upravlyaemye beskontaktnye dvigateli postoyannogo toka (Controlled contactless DC motors). Л.: Energoatomizdat, 1984, 160 p.
4. Vol'dek A.I. Elektricheskie mashiny (Electric Machines). L.: Energiya, 1978, 832 p.
5. Afanas'ev А.А., et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 6, pp. 72–78.
6. Bronshteyn I.N., Semendyaev K.A. Spravochnik po matematike dlya inzhenerov i uchashchihsya vtuzov (Handbook of Mathematics for Engineers and Students of Higher Education Institutions). SPb.: Lan', 2010, 608 p.
7. Detinko F.M., Zagorodnaya G.A., Fastovskiy V.M. Prochnost' i kolebaniya elektricheskih mashin (Strength and Vibrations of Electric Machines). L.: Energiya, 1969, 440 p.
8. Titov V.V., et al. Turbogeneratory (Turbo Generators). L.: Energiya, 1967, 896 p.
9. Glebov I.A. Gidrogeneratory (Hydro Generators). L.: Energoizdat, 1982, 368 p.
10. Molotilov B.V., et al. Holodnokatanye elektrotekhnicheskie stali: Spravochnik (Cold-Rolled Electrical Steels: Guide). М.: Metallurgiya, 1989, 168 p.
11. Shevchuk R.E., Gaev A.V. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbGPU – in Russ. (Scientific and Technical Bulletin of SPbSPU), 2017, vol. 23, No. 1, pp. 98–106.
12. Lazaroiu D.F., Bikir N. Shum elektricheskih mashin i transformatorov (Noise of Electrical Machines and Transformers). М.: Energiya, 1973, 271 p.
13. Shubov I.G. Shum i vibratsiya elektricheskih mashin (Noise and Vibration of Electric Machines). L.: Energoatomizdat, 1986, 208 p.
14. Isakov V.M., Fedorovich М.А. Vibroshumozashchita v elektromashinostroenii (Vibration and Noise protection in Electric Machine Industry). L.: Energoatomizdat, 1986, 208 p.
15. Isakovich M.M., Kleyman L.I., Perchanok B.H. Ustranenie vibratsii elektricheskih mashin (Elimination of Electric Machine Vibration). L.: Energiya, 1979, 200 p.
16. Kucher V.Ya. Vibratsiya i shum elektricheskih mashin: Pis'mennye lektsii (Vibration and Noise of Electric Machines: Written Lectures). SPb: SZТU, 2004, 81 p.
17. Astahov N.V., et al. Raschyot magnitnyh vibratsiy asinhronnyh dvigateley (Calculation of Magnetic Vibrations of Asynchronous Motors) / Under ed. V.Ya. Bespalov. М.: МEI, 1985, 96 p.
18. Elektricheskie mashiny (Electric Machines). М.: Izd-vo standartov, 1968, 528 p.
19. GОSТ IEC 60034-14–2014. Mashiny elektricheskie vra-shchayushchiesya. CHast' 14. Mekhanicheskaya vibratsiya nekotoryh vidov mashin s vysotami vala 56 mm i bolee. Izmereniya, otsenka i predely zhestkosti vibratsiy (Rotating electrical machines. Part 14 Mechanical vibration of certain machines with shaft heights S6 mm and higher. Measurement, evaluation and limits of vibration severity). М.: Standartinform, 2015, 12 p.
20. Noise and Vibration in PM Motors – Sources and Remedies [Electron. resource], URL: https://ru.scribd.com/document/327754885/Noise-and-Vibration-in-PM-Motors-Sources-and-Remedies (Date of appeal 19.10.2021).
21. Afanas'ev А.А. Analiticheskie i chislennye metody resheniya zadach elektromekhaniki na osnove kompleksnogo magnitnogo potentsiala (Analytical and Numerical Methods for Solving Problems of Electromechanics Based on a Complex Magnetic Potential). Cheboksary: Izd-vo Chuvash. un-ta, 2017, 430 p.
22. Astahov N.V., et al. Proektirovanie elektricheskih mashin s ponizhennymi urovnyami vibratsii. Mashiny postoyannogo toka (Design of Electric Machines with Reduced Vibration Levels. DC Machines). М.: МEI, 1985, 75 p.
Published
2021-10-19
Issue
Section
Article
