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作者(中文):沈冠斌
作者(外文):Sheen, Guan-Bin
論文名稱(中文):三相感應電機電磁噪音與結構動力之研究
論文名稱(外文):Study of Electromagnetic Noises and Structure Dynamics of Three-phase Induction Motors
指導教授(中文):王培仁
指導教授(外文):Wang, Pei-Jen
口試委員(中文):茆尚勳
宋震國
李明蒼
口試委員(外文):Mao, Shang-xun
Sung, Cheng-Kuo
Lee, Ming-Tsang
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:動力機械工程學系
學號:104033535
出版年(民國):108
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:113
中文關鍵詞:三相感應電機電磁激振力轉子動力學結構振動響應
外文關鍵詞:Three-phase induction motorelectromagnetic excitation forcerotor dynamicsstructural vibration response
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在世界邁向人工智能及全自動化的時代下,電機作為所有設備的驅動元件,已逐漸彰顯了它的重要性,其中又以感應電機的高可靠性、易於控制等優勢,成為電機產業大宗。隨著電機廣泛應用於工業設備、農業機械、家庭器具等各項領域,人們開始發現電機噪音及振動對於整體系統的運動特性影響深遠,且直接關乎系統的使用壽命。電磁噪音已然成為評價電機性能的重點指標之一。本文以三相感應電機為例進行電機結構的動力學分析,並將結構動力學影響因子區分為電磁振動及結構振動展開研究。
  在感應電機的電磁激振力分析中,採用Maxwell 2D/3D®軟件進行電機電磁特性分析,給出電機氣隙的時空間場徑向及切向磁通密度,利用半解析方法及快速傅利葉方法分別計算氣隙及定子齒部在時域及頻域下的電磁力波,並且與電磁力波解析算法進行頻率階次對比,其對比結果具有準確性。
  在轉子系統動力學特性分析中,討論陀螺效應對於轉子動力學的影響。針對電機的轉子系統進行動特性及動力學響應分析,並且考慮轉子支承剛度及不平衡激振力產生位置對於系統的影響,確定轉子系統在工作轉速區間內可以穩定運行。
  在感應電機的外殼振動研究中,採用ANSYS®結構力學軟件進行電機外殼的結構振動研究。首先分析電機整體的各階固有頻率及模態振型,給出激振頻率與結構頻率特性曲線。接著,分別探討由轉子不平衡力及電磁激振力作用下所造成的電機外殼振動響應,確定各階次激振頻率下的結構振動加速度響應幅值皆符合工業電動機械相關規範。最後,針對三相感應電機進行振動水平量測,觀測空載幾個轉速下的重要測點振動響應特性。
In the era of artificial intelligence and automation in the world, motor, as the driving component of all equipment, has gradually shown its importance. Among them, induction motor has become a major part of the motor industry because of its high reliability and easy control. With the wide application of motors in industrial equipment, agricultural machinery, household appliances and other fields, people find that motor noise and vibration have a profound impact on the overall system's motion characteristics, and directly related to the system's service life. Electromagnetic noise has become one of the key indicators for evaluating motor performance. Taking three-phase induction motor as an example, the dynamic analysis of the motor structure is carried out by dividing the structural dynamic influencing factors into electromagnetic vibration and structural vibration.
In the electromagnetic force analysis of induction motor, Ansys Maxwell software is used to analyze the electromagnetic characteristics of the motor. The radial and tangential flux densities of the air gap in time and space are given. Moreover, the electromagnetic force waves of air gap and stator tooth in time and frequency domain are calculated by Semi-Analytical Method and Fast Fourier Transform Method respectively. The frequency order of the electromagnetic force wave analysis is compared to that of the electromagnetic force wave analysis algorithm. The comparison results are accurate.
In the analysis of dynamic characteristics of rotor system, the influence of gyroscopic effect on rotor dynamics is discussed. The dynamic characteristics and dynamic response of the rotor system are analyzed. Considering the influence of the support stiffness of the rotor and the position of the unbalanced exciting force on the system, it is determined that the rotor system can operate stably in the working speed range.
In the research of the shell vibration of induction motor, ANSYS software is used to study the structural vibration response of the motor shell. First, the natural frequencies and mode shapes of the whole motor are analyzed, and the curves of excitation frequency and structural frequency characteristics are given. Next, the vibration response of the motor shell caused by the unbalanced force of the rotor and the electromagnetic excitation force are discussed respectively. It is determined that the amplitude of the structural vibration acceleration response under each order of excitation frequency conforms to the relevant specifications of industrial electromechanical systems. Finally, the vibration level of the three-phase induction motor is measured, and the vibration response characteristics of the important measuring points under no-load for several rotating speeds are observed.

摘 要 I
Abstract II
誌謝 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.2 國內外研究現狀 2
1.2.1 電磁諧波激振力研究現狀 2
1.2.2 轉子動力學分析研究現狀 5
1.2.3 電機結構動力學研究現狀 7
1.3 本文主要研究內容 10
1.4 論文架構 11
第二章 三相感應電機的電磁激振力分析 14
2.1 引言 14
2.2 感應電機電磁激振力計算方法 14
2.2.1 徑向電磁激振力的解析計算方法 14
2.2.2 徑向電磁激振力的有限元計算方法 17
2.3 基於解析算法於三相感應電機電磁激振力分析 18
2.4 基於有限元方法於三相感應電機電磁激振力的分析 19
2.4.1 三相感應電機的尺寸參數及有限元建模 19
2.4.2 氣隙磁場的有限元分析 19
2.4.3 定子齒部徑向電磁力的有限元分析 21
2.5 本章小結 22
第三章 鼠籠型鋁轉子系統的動力學特性分析 32
3.1 引言 32
3.2 基於彈性支承單盤偏置轉子的穩態渦動計算與算例驗證 32
3.2.1 基於彈性支承單盤偏置轉子的穩態渦動計算 32
3.2.2 彈性支承單盤偏置轉子的動力學仿真算例與驗證 35
3.3 轉子動力學特性計算方法 36
3.3.1 轉子動力學特性計算方法 36
3.3.2 鼠籠型鋁轉子的有限元動力學建模 37
3.4 鼠籠型鋁轉子的動特性分析 40
3.4.1 鼠籠型鋁轉子的臨界轉速 40
3.4.2 鼠籠型鋁轉子的振頻振型分析 41
3.4.3 軸承剛度參數對轉子系統的敏感性分析 42
3.4.4軸系的臨界轉速和模態振型 43
3.5 鼠籠型鋁轉子系統的不平衡響應分析 44
3.5.1 轉子系統平衡品質及不平衡響應規範 44
3.5.2 轉子系統的不平衡量計算 45
3.5.3 轉子系統不平衡階響應分析 46
3.5.4 不平衡量位置對轉子系統的影響 47
3.6 本章小結 48
第四章 三相感應電機的外殼振動分析 67
4.1 引言 67
4.2 電機結構模態計算分析方法 67
4.3 電機外殼的動力學特性分析 68
4.3.1 電機整機動力學建模方法 68
4.3.2 電機定子疉片模態計算 70
4.3.3 電機外殼模態計算 71
4.3.4 基於電磁力與電機結構耦合頻率特性分析 72
4.4 電機外殼的振動響應分析 73
4.4.1 基於轉子不平衡力的電機外殼振動響應分析 73
4.4.2 基於電磁激振力的電機外殼振動響應分析 75
4.5 本章小結 77
第五章 電機外殼振動水平試驗分析 96
5.1 引言 96
5.2 振動水平研究方法及實驗系統 96
5.3 電機振動加速度頻譜分析 97
5.4 本章小結 99
第六章 結論 105
6.1研究總結 105
6.2未來研究課題 106
參考文獻 108
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