Электромагнитно-индуцированный акустический шум
Электромагнитно-индуцированный акустический шум (и вибрация ), электромагнитно-возбужденный акустический шум , или более известный как вой катушки , представляет собой слышимый звук, непосредственно производимый материалами, вибрирующими под возбуждением электромагнитных сил . Некоторые примеры этого шума включают гул сети , гул трансформаторов , вой некоторых вращающихся электрических машин или жужжание люминесцентных ламп . Шипение в линиях электропередачи высокого напряжения вызвано коронным разрядом , а не магнетизмом.
Это явление еще называют слышимым магнитным шумом. [1] электромагнитный акустический шум, вибрация ламината [2] или электромагнитно-индуцированный акустический шум, [3] или, реже, электрический шум, [4] или «шум катушки», в зависимости от применения. Термина «электромагнитный шум» обычно избегают, поскольку этот термин используется в области электромагнитной совместимости , связанной с радиочастотами. Термин «электрический шум» описывает электрические возмущения, возникающие в электронных схемах, а не звук. В последнем случае используются термины «электромагнитные колебания». [5] или магнитные вибрации, [6] сосредоточение внимания на структурном явлении менее двусмысленно.
Акустический шум и вибрации, вызванные электромагнитными силами, можно рассматривать как аналог микрофонной технологии , которая описывает, как механическая вибрация или акустический шум могут вызывать нежелательные электрические возмущения.
Общее объяснение
[ редактировать ]Электромагнитные силы можно определить как силы, возникающие в результате присутствия электромагнитного поля.
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, концентрируются 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 ферромагнитного материала. Силы Лоренца или Лапласа действуют на проводники, находящиеся во внешнем магнитном поле.
Эквивалентные электромагнитные силы из-за присутствия электрического поля могут включать электростатические , электрострикционные и обратные пьезоэлектрические эффекты.
Эти явления потенциально могут вызывать вибрации ферромагнитных, проводящих частей, катушек и постоянных магнитов электрических, магнитных и электромеханических устройств, что приводит к возникновению слышимого звука, если частота вибраций находится в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц и если уровень звука высок. достаточно, чтобы быть услышанным (например, большая поверхность излучения и большие уровни вибрации). Уровень вибрации повышается при механическом резонансе структурного режима , когда электромагнитные силы совпадают с собственной частотой активного компонента (магнитопровода, электромагнитной катушки или электрической цепи) или его корпуса.
Частота шума зависит от природы электромагнитных сил (квадратичная или линейная функция электрического или магнитного поля) и от частотного состава электромагнитного поля (в частности, присутствует или нет составляющая постоянного тока).
Электромагнитный шум и вибрации в электрических машинах.
[ редактировать ]Электромагнитный крутящий момент , который можно рассчитать как среднее значение тензора напряжений Максвелла вдоль воздушного зазора, является одним из последствий электромагнитных сил в электрических машинах. Будучи статической силой, она не создает вибраций и акустического шума. Однако пульсация крутящего момента (также называемая зубчатым моментом для синхронных машин с постоянными магнитами в разомкнутой цепи), которая представляет собой гармонические изменения электромагнитного момента, представляет собой динамическую силу, создающую крутильные колебания как ротора, так и статора. Крутильное отклонение простого цилиндра не может эффективно излучать акустический шум, но при определенных граничных условиях статор может излучать акустический шум при возбуждении пульсаций крутящего момента. [8] Конструктивный шум также может возникать из-за пульсаций крутящего момента, когда вибрации линии вала ротора распространяются на раму. [9] и линия вала.
Некоторые гармоники тангенциальной магнитной силы могут напрямую создавать магнитные вибрации и акустический шум при воздействии на зубцы статора: тангенциальные силы создают изгибающий момент зубцов статора, что приводит к радиальным колебаниям ярма. [10]
Помимо гармоник тангенциальной силы, напряжение Максвелла также включает в себя гармоники радиальной силы, ответственные за радиальные колебания ярма, которые, в свою очередь, могут излучать акустический шум.
Электромагнитный шум и вибрации в пассивных компонентах
[ редактировать ]Индукторы
[ редактировать ]В индукторах, также называемых реакторами или дросселями, магнитная энергия сохраняется 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
[ редактировать ]В трансформаторах магнитный шум и вибрации возникают в результате нескольких явлений, зависящих от варианта нагрузки, в том числе силы Лоренца на обмотках, [12] Силы Максвелла в стыках пластин и магнитострикция внутри многослойного сердечника.
Конденсаторы
[ редактировать ]Конденсаторы также подвержены воздействию больших электростатических сил. Когда форма волны напряжения/тока конденсатора непостоянна и содержит временные гармоники, возникают некоторые гармонические электрические силы и может генерироваться акустический шум. [13] Сегнетоэлектрические конденсаторы также обладают пьезоэлектрическим эффектом, который может быть источником слышимого шума. Это явление известно как эффект «поющего конденсатора». [14]
Резонансный эффект в электрических машинах
[ редактировать ]В электрических машинах с радиальным потоком резонанс, вызванный электромагнитными силами, 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
[ редактировать ]Методология
[ редактировать ]Моделирование электромагнитно-индуцированного шума и вибраций представляет собой процесс мультифизического моделирования, выполняемый в три этапа:
- расчет электромагнитных сил
- расчет результирующих магнитных колебаний
- расчет результирующего магнитного шума
Обычно это рассматривается как слабосвязанная задача: предполагается, что деформация конструкции под действием электромагнитных сил не приводит к существенному изменению распределения электромагнитного поля и возникающего в результате электромагнитного напряжения.
Применение в электрических машинах
[ редактировать ]Оценку слышимого магнитного шума в электрических машинах можно провести тремя методами:
- с использованием специального программного обеспечения для электромагнитного и виброакустического моделирования (например, MANATEE [16] )
- с использованием электромагнитных (например, Flux, [17] Джмаг, [18] Максвелл, [19] Опера [20] ), структурное (например, Ansys Mechanical, Nastran, Optistruct) и акустическое (например, Actran, LMS, Sysnoise) численное программное обеспечение вместе со специальными методами связи
- используя программную среду мультифизического численного моделирования (например, Comsol Multiphysicals, [21] Верстак Ansys [22] )
Примеры устройств, подверженных электромагнитному шуму и вибрации
[ редактировать ]Статические устройства
[ редактировать ]Статические устройства включают в себя электрические системы и компоненты, используемые для хранения или преобразования электроэнергии, 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, приписываемая приемной катушке из-за ее ненулевой температуры.
Вращающиеся устройства
[ редактировать ]Вращающиеся устройства включают 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 постоянного тока
- переключаемые реактивные двигатели
В таком устройстве динамические электромагнитные силы возникают из-за изменений магнитного поля, которое исходит либо от постоянной обмотки переменного тока, либо от вращающегося источника поля постоянного тока (постоянный магнит или обмотка постоянного тока).
Источники магнитного шума и вибраций в электрических машинах.
[ редактировать ]Гармонические электромагнитные силы, ответственные за магнитный шум и вибрацию в исправной машине, могут исходить от
- с широтно-импульсной модуляцией Питание машины [25]
- эффекты слотирования [26] [27] [28]
- магнитное насыщение [29]
В неисправной машине дополнительный шум и вибрация из-за электромагнитных сил могут исходить от
- механические статические и динамические эксцентриситеты [30]
- неравномерный воздушный зазор [31]
- размагничивание
- короткие замыкания
- отсутствуют магнитные клинья
Несбалансированное магнитное притяжение (UMP) описывает электромагнитную эквивалентность механического вращающегося дисбаланса : если электромагнитные силы не сбалансированы, на статоре и роторе возникает ненулевая результирующая магнитная сила. Эта сила может возбудить изгибный режим ротора и создать дополнительную вибрацию и шум.
Снижение электромагнитных шумов и вибраций
[ редактировать ]Снижение магнитного шума и вибраций в электрических машинах.
[ редактировать ]шума и шума Методы снижения в электрических машинах включают:
- уменьшение величины электромагнитных возбуждений независимо от конструктивного отклика электрической машины
- уменьшение величины структурного ответа независимо от электромагнитных возбуждений
- уменьшение резонансов , возникающих между электромагнитными возбуждениями и структурными модами
Методы снижения электромагнитного шума и вибрации в электрических машинах включают:
- выбор правильной комбинации разъемов/полюсов и конструкции обмотки
- избежание совпадения резонансов между статором и электромагнитными возбуждениями
- перекос статора или ротора
- внедрение методов формирования полюсов/сдвига полюсов/спаривания полюсов
- реализация инжекции гармонического тока или ШИМ с расширенным спектром стратегий
- использование насечек/барьеров магнитного потока на статоре или роторе
- увеличение демпфирования
- увеличение частоты за пределами слышимого диапазона частот
Снижение «шума катушки»
[ редактировать ]Действия по снижению шума катушки включают в себя:
- добавьте немного клея (например, слой клея часто наносят на верхнюю часть телевизионных катушек; с годами этот клей разлагается, и уровень звука увеличивается)
- изменить форму катушки (например, изменить форму катушки на восьмерку вместо традиционной формы катушки)
- изолируйте катушку от остальной части устройства, чтобы минимизировать корпусной шум.
- увеличить демпфирование
Экспериментальные иллюстрации
[ редактировать ]
Изменяющаяся электромагнитная сила может создаваться либо движущимся источником постоянного магнитного поля (например, вращающимся постоянным магнитом или вращающейся катушкой, питаемой постоянным током), либо постоянным источником переменного магнитного поля (например, катушкой, питаемой переменным током).
Принудительная вибрация от вращающегося постоянного магнита
[ редактировать ]Эта анимация иллюстрирует, как ферромагнитный лист может деформироваться под действием магнитного поля вращающегося магнита. Это соответствует идеальной однополюсной синхронной машине с постоянными магнитами и беспазовым статором.
Акустический резонанс с помощью катушки переменной частоты
[ редактировать ]Резонансный эффект магнитной вибрации со структурной модой можно проиллюстрировать с помощью железного камертона. Зубец камертона намотан катушкой, питаемой от источника питания переменной частоты. Между двумя контактами циркулирует переменная плотность потока, и между двумя контактами возникают некоторые динамические магнитные силы с удвоенной частотой питания. Когда частота возбуждающей силы совпадает с основной модой камертона, близкой к 400 Гц, возникает сильный акустический резонанс.
Примеры аудиофайлов
[ редактировать ]Двигатель PMSM (тяговое применение)
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ле Беснере, Дж., Ланфранчи, В., Экке, М., и Броше, П. (2010). Определение характеристик и снижение звукового магнитного шума за счет подачи ШИМ в индукционных машинах. Транзакции IEEE по промышленной электронике. http://doi.org/10.1109/tie.2009.2029529
- ^ Хэссон, Сол; Шульман, Йехиэль (1967). «Поперечное движение в пластинах трансформатора как причина шума» . Журнал Акустического общества Америки . 41 (6): 1413–1417. Бибкод : 1967ASAJ...41.1413H . дои : 10.1121/1.1910500 .
- ^ ван дер Гит, М., (2011). Анализ электромагнитно-акустических шумовых возбуждений – вклад в малошумное проектирование и аурализацию электрических машин, RWTH Ахенский университет, Шейкер Верлаг.
- ^ Финли, WR, Ходованек, MM, и Холтер, WG (1999). Аналитический подход к решению проблем вибрации двигателя, 36 (5), 1–16.
- ^ Кармели, М.С., Кастелли Децца, Ф., и Маури, М. (2006). Анализ электромагнитной вибрации и шума двигателя с внешним ротором и постоянными магнитами. Международный симпозиум по силовой электронике, электроприводам, автоматизации и движению (SPEEDAM), 1028–33. http://doi.org/10.1109/SPEEDAM.2006.1649919
- ^ Ле Беснере, Ж. (2015). Влияние асимметрии пластин на магнитные вибрации и акустический шум в синхронных машинах. В 2015 г. прошла 18-я Международная конференция по электрическим машинам и системам (ICEMS). http://doi.org/10.1109/icems.2015.7385319
- ^ Белахсен, А. (2004). Магнитоупругость, магнитные силы и магнитострикция в электрических машинах. Кандидатская диссертация, Хельсинкский технологический университет, Финляндия.
- ^ Тан Ким А. (2013). Вклад в исследование акустических шумов магнитного происхождения с целью оптимального проектирования синхронных кулачковых машин автомобильного назначения. Кандидатская диссертация, Технологический университет Компьеня, Франция.
- ^ De Madinabeitia IG, (2016).Анализ спектра гармоник силы и крутящего момента в асинхронной машине для автомобильных целей NVH. Магистерская диссертация, Технологический университет Чалмерса, Швеция.
- ^ Девильерс Э., Ле Беснере Ж., Ренье М. и Экке М. (2017). Тангенциальное воздействие на магнитные колебания асинхронных машин с использованием метода подобластей и синтеза электромагнитных колебаний, Материалы конференции IEMDC 2017, Майами, США. https://eomys.com/recherche/publications/article/tangential-effects-on-Magnetic-vibrations-and-acoustic-noise-of-induction . Архивировано 15 сентября 2017 г. в Wayback Machine.
- ^ М. Росси и Ж. Ле Беснере, Снижение вибрации индукторов при возбуждении магнитострикционными силами и силами Максвелла, в IEEE Transactions on Magnetics, vol. 51, нет. 12, стр. 1–6, декабрь 2015 г. https://doi.org/10.1109/TMAG.2015.2469643.
- ^ Артури, К.М., 1992. Расчет сил в обмотках трансформатора при несбалансированных МДС с помощью нелинейного кода конечных элементов. Транзакции IEEE по магнетизму, 28 (2), стр. 1363–1366.
- ^ М. Хуркала, Анализ шума высоковольтных конденсаторов и реакторов с воздушным сердечником сухого типа. Докторская диссертация, Университет Аалто, Финляндия, 2013 г.
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2 апреля 2019 г. Проверено 31 августа 2017 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ Ле Беснере, Дж. (2008). Снижение магнитного шума в асинхронных машинах с ШИМ – правила проектирования с низким уровнем шума и многокритериальная оптимизация. Кандидатская диссертация, Центральная школа Лилля, Лилль, Франция. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-00348730/
- ^ «Программное обеспечение MANATEE (инструмент анализа магнитно-акустического шума для электротехники), официальный сайт» . Проверено 15 сентября 2017 г.
- ^ «Официальный сайт программного обеспечения Flux» .
- ^ «Официальный сайт программного обеспечения Jmag» .
- ^ «Официальный сайт программного обеспечения Maxwell» .
- ^ «Официальный сайт программного обеспечения Opera» .
- ^ «Официальный сайт программного обеспечения Comsol» .
- ^ «Официальный сайт программного обеспечения Ansys» .
- ^ Вайзер Б., Пфюцнер Х. и Ангер Дж. (2000). Актуальность магнитострикции и сил для генерации звукового шума сердечников трансформаторов, 36 (5), 3759–3777.
- ^ Ле Беснере, Дж. (2008). Снижение магнитного шума в асинхронных машинах с ШИМ – правила проектирования с низким уровнем шума и многокритериальная оптимизация. Кандидатская диссертация, Центральная школа Лилля, Лилль, Франция. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-00348730/
- ^ Ле Беснере, Дж., Ланфранчи, В., Экке, М., и Броше, П. (2010). Определение характеристик и снижение звукового магнитного шума за счет подачи ШИМ в индукционных машинах. Транзакции IEEE по промышленной электронике. http://doi.org/10.1109/tie.2009.2029529
- ^ Ле Беснере, Дж., Ланфранчи, В., Экке, М., и Броше, П. (2009). Оптимальные номера слотов для снижения магнитного шума в асинхронных двигателях с регулируемой скоростью. Транзакции IEEE по магнетизму. http://doi.org/10.1109/tmag.2009.2020736
- ^ Верес, Г., Баракат, Г., Амара, Ю., Беннуна, О., и Хоблос, Г. (nd). Влияние комбинации полюсов и пазов на шум и вибрацию машин с постоянными магнитами (1).
- ^ Чжу, ZQ, Ся, ZP, Ву, LJ и Джуэлл, GW (2009). Влияние комбинации пазов и числа полюсов на радиальные силы и режимы вибрации в бесщеточных машинах с дробными пазами ПМ, имеющих одно- и двухслойные обмотки. Конгресс и выставка IEEE по преобразованию энергии 2009 г., ECCE 2009, 3443–3450. http://doi.org/10.1109/ECCE.2009.5316553
- ^ Ле Беснере, Дж., Ланфранчи, В., Эке, М., Лемэр, Г., Ожи, Э., и Броше, П. (2009). Характеристика и снижение магнитного шума вследствие насыщения в индукционных машинах. Транзакции IEEE по магнетизму. http://doi.org/10.1109/tmag.2008.2012112
- ^ Торрегросса Д., Хубру А. и Фахими Б. (2012). Прогнозирование акустического шума и пульсации крутящего момента в синхронных машинах с постоянными магнитами со статическим эксцентриситетом и частичным размагничиванием методом реконструкции поля. Транзакции IEEE по промышленной электронике, 59 (2), 934–944. http://doi.org/10.1109/TIE.2011.2151810
- ^ Ле Беснере, Ж. (2015). Влияние асимметрии пластин на магнитные вибрации и акустический шум в синхронных машинах. В 2015 г. прошла 18-я Международная конференция по электрическим машинам и системам (ICEMS). http://doi.org/10.1109/icems.2015.7385319