Электромагнитный акустический шум - Electromagnetically induced acoustic noise

Не путать с Электрический шум, Шум (электроника) или же Электромагнитная интерференция

Электромагнитный акустический шум (и вибрация), акустический шум с электромагнитным возбуждением, или более известный как катушка скулить, является слышимый звук непосредственно производится из материалов вибрирующий под возбуждением электромагнитные силы. Некоторые примеры этого шума включают гул сети гул трансформаторы, вой некоторых вращающихся электрические машины, или жужжание флюоресцентные лампы. Шипение высоковольтных линий электропередачи происходит из-за коронный разряд, а не магнетизм.

Это явление также называют слышимым магнитным шумом.[1] электромагнитный акустический шум или акустический шум, вызванный электромагнитным полем,[2] или реже электрические помехи,[3] или «шум катушки», в зависимости от применения. Термин электромагнитный шум обычно избегают, поскольку этот термин используется в области электромагнитная совместимость, занимающихся радиочастотами. Период, термин электрический шум описывает электрические возмущения, возникающие в электронных схемах, а не звук. Для последнего использования термины электромагнитные колебания[4] или магнитные колебания,[5] акцентирование внимания на структурном явлении менее неоднозначно.

Акустический шум и вибрации из-за электромагнитных сил можно рассматривать как обратные микрофоника, который описывает, как механическая вибрация или акустический шум могут вызвать нежелательное электрическое возмущение.

Общее объяснение

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 из-за Тензор напряжений Максвелла, магнитострикция и Сила Лоренца (также называемая силой Лапласа).[6] Силы Максвелла, также называемые силами сопротивления, сосредоточены на границе раздела сильных изменений магнитного сопротивления, например между воздухом и ферромагнитный материал 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 электростатический, электрострикционный и обратный пьезоэлектрический эффекты.

Эти явления могут потенциально вызывать колебания ферромагнитных, проводящих частей, катушек и постоянных магнитов электрического, магнитного и электромеханического устройства, 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 при механическом резонанс, когда электромагнитные силы соответствуют структурной моде собственная частота 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

Электромагнитный крутящий момент, которое можно рассчитать как среднее значение тензора максвелловских напряжений вдоль воздушного зазора, является одним из следствий электромагнитных сил в электрических машинах. Как статическая сила, он не создает вибрации или акустического шума. тем не мение пульсация крутящего момента (также называемый зубчатым моментом для синхронных машин с постоянными магнитами в разомкнутой цепи), который представляет собой гармонические изменения электромагнитного 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.[7] Конструкционный шум также может быть вызван пульсацией крутящего момента, когда колебания линии вала ротора распространяются на раму.[8] и валопровод.

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.[9]

Помимо гармоник тангенциальной 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

Индукторы

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.[10]

Трансформеры

В трансформаторах магнитные шумы и вибрации вызываются несколькими явлениями в зависимости от варианта нагрузки, в том числе силой Лоренца на обмотках,[11] Силы Максвелла в стыках пластин и магнитострикция внутри ламинированного сердечника.

Конденсаторы

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.[12] Сегнетоэлектрические конденсаторы также проявляют пьезоэлектрический эффект, который может быть источником слышимого шума. Это явление известно как эффект «поющего конденсатора».[13]

Резонансный эффект в электрических машинах

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).[14]

Пример модальной формы № 2 статора; движения были преувеличены для представления целей

Например, резонанс с эллиптической модальной формой статора может возникать, 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

Методология

Моделирование электромагнитно-индуцированных 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 существенному изменению распределения электромагнитного поля и возникающего в результате электромагнитного напряжения.

Применение к электрическим машинам

Оценка акустического магнитного шума в электрических машинах может производиться тремя методами:

  • с помощью специального программного обеспечения для электромагнитного и виброакустического моделирования (например, MANATEE [15])
  • с помощью электромагнитного излучения (например, Flux,[16] Jmag,[17] Максвелл,[18] Опера[19]), структурное (например, Ansys Mechanical, Nastran, Optistruct) и акустическое (например, Actran, LMS, Sysnoise) числовое программное обеспечение вместе со специальными методами связи
  • с использованием программной среды мультифизического численного моделирования (например, Comsol Multiphysics,[20] Верстак Ansys[21])

Примеры устройств, подверженных электромагнитным помехам и вибрациям

Статические устройства

Статические устройства включают в себя электрические системы и компоненты, используемые для хранения электроэнергии или преобразования энергии, такие как

Вращающиеся устройства

К вращающимся устройствам относятся вращающиеся электрические машины с радиальным и осевым потоком, используемые для преобразования электрической энергии в механическую, такие как

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

Гармонические электромагнитные силы, ответственные за магнитные шумы и вибрации в здоровой машине, могут исходить от

В неисправной машине дополнительный шум и вибрация из-за электромагнитных сил могут исходить от

  • механический статический и динамический эксцентриситет[29]
  • неравномерный воздушный зазор[30]
  • размагничивание
  • короткие замыкания
  • недостающие магнитные клинья

Несбалансированное магнитное притяжение (UMP) описывает электромагнитный эквивалент механического вращающийся дисбаланс: 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 электромагнитного шума и вибраций

Снижение магнитного шума и вибрации в электрических машинах

NVH методы смягчения в электрические машины включают[31]

  • уменьшение величины электромагнитных возбуждений, независимо от структурной реакции электрической машины
  • уменьшение величины структурного отклика независимо от электромагнитных возбуждений
  • сокращение резонансы возникающие между электромагнитными возбуждениями и структурные режимы

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
  • внедрение методов формирования полюсов / смещения полюсов / спаривания полюсов
  • внедрение гармонического тока или расширение спектра ШИМ стратегии
  • использование бороздок / магнитных барьеров на статоре или роторе
  • увеличение демпфирование

Уменьшение «шума катушки»

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 восьмерка вместо традиционной формы катушки)
  • изолируйте катушку от остальной части устройства, чтобы свести к минимуму корпусный шум
  • увеличивать демпфирование

Экспериментальные иллюстрации

Прогиб ферромагнитного цилиндра из-за вращающегося поля возбуждения постоянного магнита
Настройка вибрирующей вилки с электромагнитным возбуждением

Переменная 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

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

Резонансный эффект магнитной вибрации со структурной модой можно проиллюстрировать с помощью камертона из железа. Зубец камертона намотан катушкой, питаемой от источника питания переменной частоты. Между двумя штырями циркулирует переменная магнитная индукция, и между двумя штырями возникают динамические магнитные силы при удвоенной частоте питания. Когда частота возбуждающей силы совпадает с основной модой камертона около 400 Гц, возникает сильный акустический резонанс.

Примеры аудиофайлов

Двигатель PMSM (тяговое приложение)

Пример магнитного шума от электродвигателя метро

внешняя ссылка

Рекомендации

  1. ^ Ле Besnerais, J., Lanfranchi, V., Hecquet, M., & Brochet, 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
  2. ^ ван дер Гит, М., (2011). Анализ возбуждения электромагнитного акустического шума - вклад в разработку малошумных и акустических машин, RWTH Aachen University, Shaker Verlag.
  3. ^ Финли, В. Р., Ходованек, М. М., и Холтер, В. Г. (1999). Аналитический подход к решению проблем вибрации двигателя, 36 (5), 1–16.
  4. ^ Кармели, М.С., Кастелли Дезза, Ф., и 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
  5. ^ Ле 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
  6. ^ Белахчен, А. (2004). Магнитоупругость, магнитные силы и магнитострикция в электрических машинах. Кандидатская диссертация, Хельсинкский технологический университет, Финляндия.
  7. ^ Тан Ким А. (2013). Вклад в создание блестящей акустической оригинальной магнетической концепции в концепции оптимальной синхронизации машин и моделей для применения в автомобиле. Кандидатская диссертация, Université de Technologie de Compiègne, Франция.
  8. ^ De Madinabeitia I.G, (2016) .Анализ спектра гармоник силы и крутящего момента в индукционной машине для автомобильных целей NVH. Магистерская работа, Технологический университет Чалмерса, Швеция.
  9. ^ Девиллер Э., Ле Беснераис Дж., Ренье М. и Эке М. (2017). Тангенциальные воздействия на магнитные колебания асинхронных машин с использованием метода подобластей 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
  10. ^ М. Росси и Дж. Ле Беснерай, Уменьшение вибрации индукторов при возбуждении магнитострикционной силой и силой Максвелла, в IEEE Transactions on Magnetics, vol. 51, нет. 12. С. 1–6, декабрь 2015 г. https://doi.org/10.1109/TMAG.2015.2469643
  11. ^ Артури, C.M., 1992. Расчет силы в обмотках трансформатора при несимметричных МДС с помощью нелинейного кода конечных элементов. Транзакции IEEE по магнетизму, 28 (2), стр.1363-1366.
  12. ^ М. Хуркала. Анализ шума высоковольтных конденсаторов и сухих реакторов с воздушным сердечником. Докторская диссертация, Университет Аалто, Финляндия, 2013 г.
  13. ^ https://product.tdk.com/en/contact/faq/31_singing_capacitors_piezoelectric_effect.pdf
  14. ^ Ле Besnerais, J. (2008). Снижение магнитного шума в асинхронных машинах с ШИМ-питанием - правила проектирования с низким уровнем шума и многокритериальная оптимизация. Кандидатская диссертация, Ecole Centrale de Lille, Лилль, Франция. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-00348730/
  15. ^ «Программное обеспечение MANATEE (Инструмент магнитно-акустического анализа шума для электротехники), официальный сайт». Получено 15 сентября, 2017.
  16. ^ «Официальный сайт программного обеспечения Flux».
  17. ^ «Официальный сайт Jmag Software».
  18. ^ «Официальный сайт Maxwell Software».
  19. ^ «Официальный сайт Opera Software».
  20. ^ «Официальный сайт программного обеспечения Comsol».
  21. ^ «Официальный сайт ANSYS Software».
  22. ^ Вайзер Б., Пфютцнер Х. и Энгер Дж. (2000). Актуальность магнитострикции и сил для генерации звукового шума сердечников трансформатора, 36 (5), 3759–3777.
  23. ^ Ле Besnerais, J. (2008). Снижение магнитного шума в асинхронных машинах с ШИМ-питанием - правила проектирования с низким уровнем шума и многокритериальная оптимизация. Кандидатская диссертация, Ecole Centrale de Lille, Лилль, Франция. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-00348730/
  24. ^ Ле Besnerais, J., Lanfranchi, V., Hecquet, M., & Brochet, P. (2010). Определение характеристик и снижение акустического магнитного шума за счет подачи ШИМ в индукционных машинах. IEEE Transactions по промышленной электронике. http://doi.org/10.1109/tie.2009.2029529
  25. ^ Ле Besnerais, J., Lanfranchi, V., Hecquet, M., & Brochet, 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
  26. ^ Верез, Г., Баракат, Г., Амара, Ю., Беннуна, О., и Хоблос, Г. (нет данных). Влияние комбинации полюсов и пазов на шум и вибрацию машин с магнитным переключением с ПМ, (1).
  27. ^ Чжу, З. К., Ся, З. П., Ву, Л. Дж., И Джуэлл, Г. В. (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
  28. ^ Ле Беснераис, Дж., Ланфранки, В., Эке, М., Лемер, Г., Аугис, Э. и Броше, П. (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
  29. ^ Торрегросса, Д., Хобро, А., и Фахими, Б. (2012). Прогнозирование акустического шума и пульсаций крутящего момента в синхронных машинах с ПМ со статическим эксцентриситетом и частичным размагничиванием методом реконструкции поля. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 59 (2), 934–944. http://doi.org/10.1109/TIE.2011.2151810
  30. ^ Ле 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
  31. ^ «Методы снижения шума в электрических машинах». www.eomys.com. EOMYS ENGINEERING. Получено 15 сентября, 2017.