Электромагнитно-индуцированный акустический шум

Тип слышимого звука

Электромагнитно-индуцированный акустический шум (и вибрация ), электромагнитно-возбужденный акустический шум , или более известный как свист катушки , — это слышимый звук, который непосредственно производится материалами, вибрирующими под воздействием электромагнитных сил . Некоторые примеры этого шума включают гул сети , гул трансформаторов , свист некоторых вращающихся электрических машин или жужжание люминесцентных ламп . Шипение высоковольтных линий электропередачи вызвано коронным разрядом , а не магнетизмом.

Это явление также называют слышимым магнитным шумом, ^[1] электромагнитным акустическим шумом, вибрацией ламинирования ^[2] или электромагнитно-индуцированным акустическим шумом ^[3] или, реже, электрическим шумом ^[4] или «шумом катушки», в зависимости от применения. Термина «электромагнитный шум» обычно избегают, поскольку он используется в области электромагнитной совместимости , связанной с радиочастотами. Термин « электрический шум» описывает электрические возмущения, возникающие в электронных схемах, а не звук. Для последнего использования термины «электромагнитные колебания» ^[5] или «магнитные колебания» ^[6] , фокусирующиеся на структурном явлении, менее двусмысленны.

Акустический шум и вибрации, вызванные электромагнитными силами, можно рассматривать как обратную сторону микрофонного эффекта , который описывает, как механическая вибрация или акустический шум могут вызывать нежелательные электрические возмущения.

Общее объяснение

Электромагнитные силы можно определить как силы, возникающие вследствие наличия 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, сосредоточены на границе раздела высоких изменений магнитного сопротивления, например, между воздухом и ферромагнитным материалом в электрических машинах; они также отвечают за притяжение или отталкивание двух магнитов, обращенных друг к другу. Силы магнитострикции сосредоточены внутри самого ферромагнитного материала. Силы Лоренца или Лапласа действуют на проводники, погруженные во внешнее магнитное поле.

Эквивалентные электромагнитные силы, обусловленные наличием электрического поля, могут включать электростатические , электрострикционные и обратные пьезоэлектрические эффекты.

Эти явления потенциально могут генерировать вибрации ферромагнитных, проводящих частей, катушек и постоянных магнитов электрических, магнитных и электромеханических устройств, приводя к слышимому звуку, если частота колебаний лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц, и если уровень звука достаточно высок, чтобы его можно было услышать (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 корпуса.

Частота шума зависит от природы электромагнитных сил (квадратичная или линейная функция электрического поля или магнитного поля) и от частотного состава электромагнитного поля (в частности, присутствует ли постоянная составляющая или нет).

Электромагнитные шумы и вибрации в электрических машинах

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, она не создает вибраций или акустического шума. Однако пульсация момента (также называемая зубцовым моментом для синхронных машин с постоянными магнитами в разомкнутой цепи), которая представляет собой гармонические изменения электромагнитного момента, является динамической силой, создающей 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 пульсации момента. ^[8] Структурный шум также может быть вызван пульсацией момента, когда вибрации линии вала ротора распространяются на раму ^[9] и линию вала.

Некоторые тангенциальные гармоники 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 тангенциальной силы, напряжение Максвелла также включает в себя гармоники радиальной силы, ответственные за радиальные колебания ярма, которые, в свою очередь, могут излучать акустический шум.

Электромагнитные шумы 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. Возникающий шум и вибрации зависят от материала воздушного зазора и геометрии магнитной цепи. ^[11]

Трансформеры

В трансформаторах магнитный шум и вибрации возникают под воздействием нескольких явлений, зависящих от нагрузки, в том числе силы Лоренца на обмотках, ^[12] силы Максвелла в соединениях пластин и магнитострикции внутри пластинчатого сердечника.

Конденсаторы

Конденсаторы также подвержены воздействию больших электростатических сил. Когда форма волны напряжения/тока конденсатора не является постоянной и содержит временные гармоники, появляются некоторые гармонические электрические силы и может генерироваться акустический шум. ^[13] Ферроэлектрические конденсаторы также проявляют пьезоэлектрический эффект, который может быть источником слышимого шума. Это явление известно как эффект «поющего конденсатора». ^[14]

Эффект резонанса в электрических машинах

В электрических машинах с радиальным потоком, вращающихся под действием электромагнитных сил, резонанс является особым, 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 возбуждающим гармоническим волновым числом Максвелла (периодичность силы вдоль воздушного зазора). ^[15]

Пример модальной формы номер 2 статора; движения были преувеличены для наглядности

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

Методология

Моделирование электромагнитного шума и вибраций представляет собой процесс мультифизического моделирования, реализуемый в три этапа:

• расчет электромагнитных сил
• расчет результирующих магнитных колебаний
• расчет результирующего магнитного шума

Обычно это рассматривается как слабосвязанная проблема: предполагается, что деформация конструкции под действием электромагнитных сил не приводит к существенному изменению распределения электромагнитного поля и результирующего электромагнитного напряжения.

Применение к электрическим машинам

Оценку акустического магнитного шума в электрических машинах можно выполнить 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) численного программного обеспечения вместе со специальными методами сопряжения
• с использованием программной среды мультифизического численного моделирования (например, Comsol Multiphysics, ^[21] Ansys Workbench ^[22] )

Примеры устройств, подверженных воздействию электромагнитных помех и вибраций

Статические устройства

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

• индукторы
• трансформаторы ^[23]
• инверторы мощности
• 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

Вращающиеся устройства включают вращающиеся электрические машины с радиальным и осевым потоком, используемые для преобразования электрической энергии в механическую, например:

• асинхронные двигатели ^[24]
• синхронные двигатели с постоянными магнитами или ротором постоянного тока
• вентильные 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 постоянного поля (постоянного магнита или обмотки постоянного тока).

Источники магнитных шумов и вибраций в электрических машинах

Гармонические электромагнитные силы, ответственные за магнитный шум и вибрации в исправной машине, могут возникать из-за

• Широтно-импульсная модуляция питания машины ^[25]
• эффекты щелевания ^{[26] [27] [28]}
• магнитное насыщение ^[29]

В неисправной машине могут возникать дополнительные шумы и вибрации, вызванные электромагнитными силами.

• 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 чистая магнитная сила. Эта сила может возбуждать изгибную моду ротора и создавать дополнительную вибрацию и шум.

Снижение электромагнитных шумов и вибраций

Снижение магнитных шумов и вибраций в электрических машинах

Методы снижения шума, вибрации и неустойчивости в электрических машинах включают:

• 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 снижения электромагнитного шума и вибрации в электрических машинах включают в себя:

• выбор правильной комбинации пазов/полюсов и конструкции обмотки
• избегание совпадения резонансов между статором и электромагнитными возбуждениями
• перекос статора или ротора
• внедрение методов формирования полюсов / смещения полюсов / спаривания полюсов
• реализация стратегий инжекции гармонического тока или широтно-импульсной модуляции с расширенным спектром
• использование выемок/барьеров потока на статоре или роторе
• увеличение затухания
• увеличение частоты за пределами слышимого диапазона частот

Уменьшение «шума катушки»

Меры по снижению шума катушки включают:

• добавьте немного клея (например, слой клея часто наносят на верхнюю часть телевизионных катушек; с годами этот клей разрушается, 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 структурный шум
• увеличить демпфирование

Экспериментальные иллюстрации

Отклонение ферромагнитного цилиндра под действием вращающегося поля возбуждения постоянного магнита

Настройка электромагнитно-возбуждаемого камертона

Переменная электромагнитная сила может быть создана 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).

Вынужденная вибрация вращающимся постоянным магнитом

Эта анимация иллюстрирует, как ферромагнитный лист может деформироваться под действием магнитного поля вращающегося магнита. Она соответствует идеальной однополюсной паре постоянных магнитов синхронной машины с беспазовым статором.

Акустический резонанс с помощью катушки переменной частоты

Резонансный эффект магнитной вибрации со структурной модой можно проиллюстрировать с помощью камертона, сделанного из железа. Зубец камертона намотан катушкой, питаемой источником питания переменной частоты. Переменная плотность потока циркулирует между двумя зубцами, и между двумя зубцами возникают некоторые динамические магнитные силы на частоте, в два раза превышающей частоту питания. Когда частота возбуждающей силы совпадает с основной модой камертона, близкой к 400 Гц, возникает сильный акустический резонанс.

Примеры аудиофайлов

Двигатель PMSM (тяговое применение)

Пример магнитного шума, исходящего от электродвигателя метрополитена

Ссылки

1. Le Besnerais, J., Lanfranchi, V., Hecquet, M., & Brochet, P. (2010). Характеристика и снижение слышимого магнитного шума из-за питания ШИМ в индукционных машинах. Труды IEEE по промышленной электронике. http://doi.org/10.1109/tie.2009.2029529
2. Hasson, Sol; Shulman, Yechiel (1967). «Поперечное движение в пластинах трансформатора как причина шума». Журнал Акустического общества Америки . 41 (6): 1413–1417. Bibcode : 1967ASAJ...41.1413H. doi : 10.1121/1.1910500.
3. Ван дер Гит, М., (2011). Анализ электромагнитных акустических шумовых возбуждений – вклад в малошумное проектирование и аурализацию электрических машин, Рейнско-Вестфальский технический университет Ахена, Shaker Verlag.
4. Финли, В. Р., Годованец, М. М. и Холтер, В. Г. (1999). Аналитический подход к решению проблем вибрации двигателя, 36(5), 1–16.
5. Кармели, М.С., Кастелли Децца, Ф. и Маури, М. (2006). Анализ электромагнитных колебаний и шума двигателя с постоянными магнитами и внешним ротором. Международный симпозиум по силовой электронике, электроприводам, автоматизации и движению (SPEEDAM), 1028–33. http://doi.org/10.1109/SPEEDAM.2006.1649919
6. Le Besnerais, J. (2015). Влияние асимметрии пластин 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
7. Белахчен, А. (2004). Магнитоупругость, магнитные силы и магнитострикция в электрических машинах. Кандидатская диссертация, Хельсинкский технологический университет, Финляндия.
8. Тан Ким А. (2013). Вклад в исследование звуковой акустики магнитного происхождения в концепцию оптимальной синхронизации машин с гриффами для применения в автомобиле. Кандидатская диссертация, Технологический университет Компьеня, Франция.
9. 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.
10. Devillers E., Le Besnerais J., Regniez M. и Hecquet M., (2017). Тангенциальные эффекты в магнитных колебаниях индукционных машин с использованием метода поддоменов и синтеза электромагнитных колебаний, Труды 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
11. М. Росси и Дж. Ле Беснере, Снижение вибрации индукторов при возбуждении магнитострикционными и максвелловскими силами, в IEEE Transactions on Magnetics, т. 51, № 12, стр. 1–6, декабрь 2015 г. https://doi.org/10.1109/TMAG.2015.2469643
12. Артури, КМ, 1992. Расчет силы в обмотках трансформатора при неуравновешенных магнитоэлектрических полях с помощью нелинейного кода конечных элементов. Труды IEEE по магнетизму, 28(2), стр. 1363-1366.
13. М. Хуркала, Анализ шума высоковольтных конденсаторов и сухих реакторов с воздушным сердечником. Докторская диссертация, Университет Аалто, Финляндия, 2013 г.
14. "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2 апреля 2019 г. Получено 31 августа 2017 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
15. Le Besnerais, J. (2008). Снижение магнитного шума в индукционных машинах с питанием от ШИМ − правила проектирования с низким уровнем шума и многоцелевая оптимизация. Кандидатская диссертация, Центральная школа Лилля, Лилль, Франция. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-00348730/
16. "Программное обеспечение MANATEE (Инструмент анализа магнитно-акустического шума для электротехники), официальный сайт" . Получено 15 сентября 2017 г.
17. "Официальный сайт программного обеспечения Flux".
18. "Официальный сайт программного обеспечения Jmag".
19. "Официальный сайт программного обеспечения Maxwell".
20. "Официальный сайт программного обеспечения Opera".
21. "Официальный сайт программного обеспечения Comsol".
22. "Официальный сайт программного обеспечения Ansys".
23. Вайзер, Б., Пфютцнер, Х. и Энгер, Дж. (2000). Значение магнитострикции и сил для генерации слышимого шума сердечников трансформаторов, 36(5), 3759–3777.
24. Le Besnerais, J. (2008). Снижение магнитного шума в индукционных машинах с питанием от ШИМ − правила проектирования с низким уровнем шума и многоцелевая оптимизация. Кандидатская диссертация, Центральная школа Лилля, Лилль, Франция. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-00348730/
25. Le Besnerais, J., Lanfranchi, V., Hecquet, M., & Brochet, P. (2010). Характеристика и снижение слышимого магнитного шума из-за питания ШИМ в индукционных машинах. Труды IEEE по промышленной электронике. http://doi.org/10.1109/tie.2009.2029529
26. Le Besnerais, J., Lanfranchi, V., Hecquet, M., & Brochet, P. (2009). Оптимальное количество слотов для снижения магнитного шума в асинхронных двигателях с переменной скоростью. Труды IEEE по магнетизму. http://doi.org/10.1109/tmag.2009.2020736
27. Верес, Г., Баракат, Г., Амара, Й., Беннуна, О. и Хоблос, Г. (б. д.). Влияние комбинации полюсов и пазов на шум и вибрации машин с постоянными магнитами с переключением потока, (1).
28. Zhu, ZQ, Xia, ZP, Wu, LJ, & Jewell, GW (2009). Влияние комбинации числа пазов и полюсов на радиальную силу и режимы вибрации в бесщеточных машинах с дробными пазами и однослойными и двухслойными обмотками. Конгресс и выставка IEEE по преобразованию энергии 2009 г., ECCE 2009, 3443–3450. http://doi.org/10.1109/ECCE.2009.5316553
29. Le Besnerais, J., Lanfranchi, V., Hecquet, M., Lemaire, G., Augis, E., & Brochet, P. (2009). Характеристика и снижение магнитного шума из-за насыщения в индукционных машинах. Труды IEEE по магнетизму. http://doi.org/10.1109/tmag.2008.2012112
30. Torregrossa, D., Khoobroo, A., & Fahimi, B. (2012). Прогнозирование акустического шума и пульсации крутящего момента в синхронных машинах с постоянными магнитами со статическим эксцентриситетом и частичным размагничиванием с использованием метода реконструкции поля. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 59(2), 934–944. http://doi.org/10.1109/TIE.2011.2151810
31. Le Besnerais, J. (2015). Влияние асимметрии пластин 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

Внешние ссылки

• Видео резонирующего камертона, магнитно возбуждаемого током переменной частоты на YouTube
• Видео камертона, магнитно возбуждаемого током фиксированной частоты на YouTube
• Видео ферромагнитного цилиндра, деформированного вращающимся магнитом на YouTube