Электромагнитно индуцированный акустический шум (и вибрация) , акустический шум , возбуждаемый электромагнитным полем , или более известный как свист катушки , представляет собой слышимый звук, непосредственно производимый материалами, вибрирующими под действием электромагнитных сил . Некоторые примеры этого шума включают гудение сети , гудение трансформаторов , вой некоторых вращающихся электрических машин или жужжание люминесцентных ламп . Шипение высоковольтных линий передачи происходит из-за коронного разряда , а не из-за магнетизма.
Это явление также называют слышимым магнитным шумом [1], электромагнитным акустическим шумом, вибрацией ламинации [2] или электромагнитным акустическим шумом [3] или, реже, электрическим шумом [4] или «шумом катушки», в зависимости от заявление. Термин «электромагнитный шум» обычно избегают, поскольку этот термин используется в области электромагнитной совместимости , имея дело с радиочастотами. Термин « электрический шум» описывает электрические возмущения, возникающие в электронных схемах, а не звук. Для последнего используют термины электромагнитные колебания [5] или магнитные колебания, [6] акцентирование внимания на структурном явлении менее двусмысленно.
Акустический шум и вибрации из-за электромагнитных сил можно рассматривать как обратную связь микрофоники , которая описывает, как механическая вибрация или акустический шум могут вызвать нежелательное электрическое возмущение.
Общее объяснение [ править ]
Электромагнитные силы можно определить как силы, возникающие из-за наличия электромагнитного поля (только электрического поля, только магнитного поля или того и другого).
Электромагнитные силы в присутствии магнитного поля включают эквивалентные силы, обусловленные тензором напряжений Максвелла , магнитострикцией и силой Лоренца (также называемой силой Лапласа). [7] Силы Максвелла, также называемые силами сопротивления, сосредоточены на границе раздела сильных изменений магнитного сопротивления, например, между воздухом и ферромагнитным материалом в электрических машинах; они также ответственны за притяжение или отталкивание двух магнитов, обращенных друг к другу. Силы магнитострикции сосредоточены внутри самого ферромагнетика. Силы Лоренца или Лапласа действуют на проводники, погруженные во внешнее магнитное поле.
Эквивалентные электромагнитные силы из-за наличия электрического поля могут включать электростатические , электрострикционные и обратные пьезоэлектрические эффекты.
Эти явления могут потенциально вызывать вибрации ферромагнитных, проводящих частей, катушек и постоянных магнитов электрических, магнитных и электромеханических устройств, что приводит к появлению слышимого звука, если частота колебаний находится в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, и если уровень звука высокий. достаточно, чтобы быть услышанным (например, большая поверхность излучения и большие уровни вибрации). Уровень вибрации увеличивается в случае механического резонанса , когда электромагнитные силы совпадают с собственной частотой структурного режима активного компонента (магнитной цепи, электромагнитной катушки или электрической цепи) или его оболочки.
Частота шума зависит от природы электромагнитных сил (квадратичная или линейная функция электрического поля или магнитного поля) и от частотной составляющей электромагнитного поля (в частности, присутствует ли составляющая постоянного тока или нет).
Электромагнитный шум и вибрации в электрических машинах [ править ]
Электромагнитный момент , который можно рассчитать как среднее значение тензора напряжений Максвелла вдоль воздушного зазора, является одним из следствий электромагнитных сил в электрических машинах. Как статическая сила, он не создает вибрации или акустического шума. Однако пульсация крутящего момента (также называемая зубчатым крутящим моментом для синхронных машин с постоянными магнитами в разомкнутой цепи), которая представляет собой гармонические изменения электромагнитного крутящего момента, представляет собой динамическую силу, создающую крутильные колебания как ротора, так и статора. Скручивание простого цилиндра не может эффективно излучать акустический шум, но при определенных граничных условиях статор может излучать акустический шум при возбуждении пульсаций крутящего момента. [8]Конструкционный шум также может быть вызван пульсацией крутящего момента, когда колебания линии вала ротора распространяются на раму [9] и линию вала.
Некоторые гармоники тангенциальной магнитной силы могут непосредственно создавать магнитные колебания и акустический шум при приложении к зубцам статора: тангенциальные силы создают изгибающий момент зубцов статора, что приводит к радиальным колебаниям ярма. [10]
Помимо гармоник касательной силы, напряжение Максвелла также включает гармоники радиальной силы, ответственные за радиальные колебания ярма, которые, в свою очередь, могут излучать акустический шум.
Электромагнитный шум и вибрации в пассивных компонентах [ править ]
Индукторы [ править ]
В индукторах, также называемых реакторами или дросселями, магнитная энергия хранится в воздушном зазоре магнитной цепи, где действуют большие силы Максвелла. Результирующий шум и вибрация зависят от материала воздушного зазора и геометрии магнитной цепи. [11]
Трансформеры [ править ]
В трансформаторах магнитный шум и вибрации вызываются несколькими явлениями в зависимости от случая нагрузки, включая силу Лоренца на обмотках [12], силы Максвелла в стыках пластин и магнитострикцию внутри пластинчатого сердечника.
Конденсаторы [ править ]
Конденсаторы также подвержены большим электростатическим силам. Когда форма волны напряжения / тока конденсатора непостоянна и содержит временные гармоники, возникают некоторые гармонические электрические силы и может возникать акустический шум. [13] Сегнетоэлектрические конденсаторы также проявляют пьезоэлектрический эффект, который может быть источником слышимого шума. Это явление известно как эффект «поющего конденсатора». [14]
Эффект резонанса в электрических машинах [ править ]
В электрических машинах, вращающих радиальный поток, резонанс из-за электромагнитных сил является особенным, поскольку он возникает при двух условиях: должно быть соответствие между возбуждающей силой Максвелла и собственной частотой статора или ротора, а также между модальной формой статора или ротора и возбуждающей силой. Гармоническое волновое число Максвелла (периодичность силы вдоль воздушного зазора). [15]
Например, резонанс с эллиптической модальной формой статора может возникнуть, если волновое число силы равно 2. В условиях резонанса максимумы электромагнитного возбуждения вдоль воздушного зазора и максимумы смещения модальной формы находятся в фазе.
Численное моделирование [ править ]
Методология [ править ]
Моделирование электромагнитных шумов и вибраций - это процесс мультифизического моделирования, состоящий из трех этапов:
- расчет электромагнитных сил
- расчет результирующих магнитных колебаний
- расчет результирующего магнитного шума
Обычно ее считают слабо связанной проблемой: предполагается, что деформация конструкции под действием электромагнитных сил не приводит к значительному изменению распределения электромагнитного поля и возникающего в результате электромагнитного напряжения.
Применение к электрическим машинам [ править ]
Оценка акустического магнитного шума в электрических машинах может производиться тремя методами:
- с использованием специального программного обеспечения для электромагнитного и виброакустического моделирования (например, MANATEE [16] )
- с использованием электромагнитного (например, Flux, [17] Jmag, [18] Maxwell, [19] Opera [20] ), структурного (например, Ansys Mechanical, Nastran, Optistruct) и акустического (например, Actran, LMS, Sysnoise) числового программного обеспечения вместе со специальным методы сцепления
- с использованием программной среды мультифизического численного моделирования (например, Comsol Multiphysics, [21] Ansys Workbench [22] )
Примеры устройств, подверженных электромагнитным помехам и вибрациям [ править ]
Статические устройства [ править ]
Статические устройства включают электрические системы и компоненты, используемые для хранения электроэнергии или преобразования энергии, такие как
- индукторы
- трансформаторы [23]
- силовые инверторы
- конденсаторы
- резисторы : тормозные резисторы электропоездов, используемые для рассеивания электроэнергии, когда контактная сеть не восприимчива во время торможения, могут создавать электромагнитно-индуцированный акустический шум.
- катушки : в магнитно-резонансной томографии «шум катушки» - это часть общего шума системы, связанная с приемной катушкой из-за ее ненулевой температуры.
Вращающиеся устройства [ править ]
К вращающимся устройствам относятся вращающиеся электрические машины с радиальным и осевым потоком, используемые для преобразования электрической энергии в механическую, такие как
- асинхронные двигатели [24]
- синхронные двигатели с постоянными магнитами или ротором с обмоткой постоянного тока
- реактивные реактивные двигатели
В таком устройстве динамические электромагнитные силы возникают из-за изменений магнитного поля, которое возникает либо от устойчивой обмотки переменного тока, либо от источника вращающегося постоянного поля (постоянного магнита или обмотки постоянного тока).
Источники магнитного шума и вибрации в электрических машинах [ править ]
Гармонические электромагнитные силы, ответственные за магнитные шумы и вибрации в здоровой машине, могут исходить от
- Питание машины с широтно-импульсной модуляцией [25]
- эффекты прорезания [26] [27] [28]
- магнитное насыщение [29]
В неисправной машине дополнительный шум и вибрация из-за электромагнитных сил могут возникать из-за
- механический статический и динамический эксцентриситет [30]
- неравномерный воздушный зазор [31]
- размагничивание
- короткие замыкания
- недостающие магнитные клинья
Несбалансированное магнитное притяжение (UMP) описывает электромагнитный эквивалент механического вращающегося дисбаланса : если электромагнитные силы не уравновешены, на статоре и роторе появляется ненулевая чистая магнитная сила. Эта сила может возбуждать изгибный режим ротора и создавать дополнительную вибрацию и шум.
Снижение электромагнитных шумов и вибраций [ править ]
Снижение магнитных шумов и вибраций в электрических машинах [ править ]
Методы снижения шума NVH в электрических машинах включают [32]
- уменьшение величины электромагнитных возбуждений, независимо от структурной реакции электрической машины
- уменьшение величины структурного отклика независимо от электромагнитных возбуждений
- уменьшение резонансов, возникающих между электромагнитными возбуждениями и структурными модами
Методы уменьшения электромагнитного шума и вибрации в электрических машинах включают:
- выбор правильной комбинации паз / полюс и конструкции обмотки
- исключение совпадения резонансов между статором и электромагнитным возбуждением
- перекос статора или ротора
- реализация методов формирования полюсов / смещения полюсов / спаривания полюсов
- реализация стратегии инжекции гармонического тока или ШИМ с расширенным спектром
- использование зазубрин / магнитных барьеров на статоре или роторе
- увеличение демпфирования
Уменьшение "шума катушки" [ править ]
Действия по снижению шума катушки включают:
- добавьте немного клея (например, поверх телевизионных катушек часто добавляют слой клея; с годами этот клей разлагается, а уровень звука увеличивается)
- изменить форму катушки (например, изменить форму катушки на восьмерку, а не на традиционную форму катушки)
- изолируйте катушку от остальной части устройства, чтобы минимизировать корпусной шум
- увеличить демпфирование
Экспериментальные иллюстрации [ править ]
Изменяющаяся электромагнитная сила может создаваться либо движущимся источником постоянного магнитного поля (например, вращающимся постоянным магнитом или вращающейся катушкой, на которую подается постоянный ток), либо постоянным источником переменного магнитного поля (например, катушкой, питаемой переменным током).
Вынужденная вибрация вращающимся постоянным магнитом [ править ]
На этой анимации показано, как ферромагнитный лист может деформироваться под действием магнитного поля вращающегося магнита. Это соответствует идеальной однополюсной синхронной машине с постоянными магнитами и статором без паза.
Акустический резонанс катушки переменной частоты [ править ]
Эффект резонанса магнитной вибрации со структурной модой можно проиллюстрировать с помощью камертона из железа. Зубец камертона намотан катушкой, питаемой от источника питания переменной частоты. Между двумя контактами циркулирует переменная магнитная индукция, и между двумя контактами возникают динамические магнитные силы при двойной частоте питания. Когда частота возбуждающей силы совпадает с основной модой камертона около 400 Гц, возникает сильный акустический резонанс.
Примеры аудиофайлов [ править ]
Двигатель PMSM (тяговое приложение) [ править ]
Внешние ссылки [ править ]
- Видео резонирующего камертона, магнитно возбуждаемого током переменной частоты на YouTube
- Видео с камертоном, магнитно возбуждаемым током фиксированной частоты на YouTube
- Видео деформируемого вращающимся магнитом ферромагнитного цилиндра на YouTube
Ссылки [ править ]
- ^ Le Besnerais, J., Lanfranchi В., Эк, М., & Брош, P. (2010). Определение характеристик и снижение слышимого магнитного шума за счет подачи ШИМ в индукционных машинах. IEEE Transactions по промышленной электронике. http://doi.org/10.1109/tie.2009.2029529
- ^ https://asa.scitation.org/doi/10.1121/1.1910500
- ^ Ван дер Giet, М., (2011). Анализ возбуждения электромагнитных акустических шумов - вклад в разработку малошумных и акустических машин, RWTH Aachen University, Shaker Verlag.
- ^ Финли, WR, Hodowanec, MM, & Холтер, WG (1999). Аналитический подход к решению проблем вибрации двигателя, 36 (5), 1–16.
- ^ Carmeli, МС, Кастелли Dezza, Ф., & Маури, М. (2006). Электромагнитный анализ вибрации и шума двигателя с постоянными магнитами с внешним ротором. Международный симпозиум по силовой электронике, электроприводам, автоматизации и движению (SPEEDAM), 1028–33. http://doi.org/10.1109/SPEEDAM.2006.1649919
- ^ Le Besnerais, J. (2015). Влияние асимметрии ламинирования на магнитные колебания и акустический шум в синхронных машинах. В 2015 году 18-я Международная конференция по электрическим машинам и системам (ICEMS). http://doi.org/10.1109/icems.2015.7385319
- ^ Belahcen, A. (2004). Магнитоупругость, магнитные силы и магнитострикция в электрических машинах. Кандидатская диссертация, Хельсинкский технологический университет, Финляндия.
- ^ Тан Ким А. (2013). Вклад в историю создания великолепной акустической акустики en vue de la concept optimale de machines synchrones à griffes for application car. Кандидатская диссертация, Université de Technologie de Compiègne, Франция.
- ^ De Madinabeitia I. G, (2016). Анализ спектра гармоник силы и крутящего момента в асинхронной машине для целей ШВХ автомобильной промышленности. Магистерская работа, Технологический университет Чалмерса, Швеция.
- ^ Девийе Е., Ле Besnerais Дж, Regniez М. и Эке М., (2017). Тангенциальные воздействия на магнитные колебания асинхронных машин с использованием метода подобласти и синтеза электромагнитных колебаний, Труды конференции IEMDC 2017, Майами, США. https://eomys.com/recherche/publications/article/tangential-effects-on-mintage-vibrations-and-acoustic-noise-of-induction
- ^ М. Росси и Дж. Ле Беснерай, Уменьшение вибрации индукторов при возбуждении магнитострикционными и максвелловскими силами, в IEEE Transactions on Magnetics, vol. 51, нет. 12. С. 1–6, декабрь 2015 г. https://doi.org/10.1109/TMAG.2015.2469643
- ^ Артури, CM, 1992. Расчет силы в обмотках трансформатора при несимметричных MMF с помощью нелинейного кода конечных элементов. Транзакции IEEE по магнетизму, 28 (2), стр.1363-1366.
- ^ М. Хуркала, Анализ шума высоковольтных конденсаторов и сухих реакторов с воздушным сердечником. Докторская диссертация, Университет Аалто, Финляндия, 2013 г.
- ^ https://product.tdk.com/en/contact/faq/31_singing_capacitors_piezoelectric_effect.pdf
- ^ Le Besnerais, J. (2008). Снижение магнитного шума в асинхронных машинах с ШИМ-питанием - правила проектирования с низким уровнем шума и многокритериальная оптимизация. Докторская диссертация, Ecole Centrale de Lille, Лилль, Франция. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-00348730/
- ^ «Программное обеспечение MANATEE (инструмент для анализа магнитно-акустического шума для электротехники), официальный сайт» . Проверено 15 сентября 2017 года .
- ^ "Официальный сайт программного обеспечения Flux" .
- ^ "Официальный сайт программного обеспечения Jmag" .
- ^ "Официальный сайт программного обеспечения Максвелла" .
- ^ "Официальный сайт программного обеспечения Opera" .
- ^ "Официальный сайт программного обеспечения Comsol" .
- ^ "Официальный сайт программного обеспечения ANSYS" .
- ^ Уэйзер, Б., Pfützner H., & гнев, J. (2000). Актуальность магнитострикции и сил для генерации звукового шума сердечников трансформатора, 36 (5), 3759–3777.
- ^ Le Besnerais, J. (2008). Снижение магнитного шума в асинхронных машинах с ШИМ-питанием - правила проектирования с низким уровнем шума и многокритериальная оптимизация. Докторская диссертация, Ecole Centrale de Lille, Лилль, Франция. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-00348730/
- ^ Le Besnerais, J., Lanfranchi В., Эк, М., & Брош, P. (2010). Определение характеристик и снижение слышимого магнитного шума за счет подачи ШИМ в индукционных машинах. IEEE Transactions по промышленной электронике. http://doi.org/10.1109/tie.2009.2029529
- ^ Le Besnerais, J., Lanfranchi В., Эк, М., & Брош, P. (2009). Оптимальное количество пазов для уменьшения магнитного шума в асинхронных двигателях с регулируемой скоростью. IEEE Transactions on Magnetics. http://doi.org/10.1109/tmag.2009.2020736
- ^ Verez, Г., Баракат, Г., Амара Ю., Бенуна, О., и Hoblos, Г. (й). Влияние комбинации полюсов и пазов на шум и вибрацию машин с модуляцией магнитного потока (1).
- ^ Чжу, ZQ, Ся, ZP, Ву, LJ, и Джуэл, GW (2009). Влияние комбинации числа пазов и полюсов на радиальные силы и режимы колебаний в бесщеточных машинах с дробным пазом с ПМ, имеющих одно- и двухслойные обмотки. Конгресс и выставка IEEE Energy Conversion 2009, ECCE 2009, 3443–3450. http://doi.org/10.1109/ECCE.2009.5316553
- ^ Ле Besnerais J., Lanfranchi, В., Эк, М., Лемер, Г., Augis, Е., & Брош, P. (2009). Определение характеристик и снижение магнитного шума из-за насыщения в индукционных машинах. IEEE Transactions on Magnetics. http://doi.org/10.1109/tmag.2008.2012112
- ^ Torregrossa, Д., Khoobroo A., & Fahimi, В. (2012). Прогнозирование акустического шума и пульсаций крутящего момента в синхронных машинах с ПМ со статическим эксцентриситетом и частичным размагничиванием методом реконструкции поля. IEEE Transactions по промышленной электронике, 59 (2), 934–944. http://doi.org/10.1109/TIE.2011.2151810
- ^ Le Besnerais, J. (2015). Влияние асимметрии ламинирования на магнитные колебания и акустический шум в синхронных машинах. В 2015 году 18-я Международная конференция по электрическим машинам и системам (ICEMS). http://doi.org/10.1109/icems.2015.7385319
- ^ «Методы снижения шума в электрических машинах» . www.eomys.com . EOMYS ENGINEERING . Проверено 15 сентября 2017 года .
