近年来,永磁同步电机以其结构简单、运行可靠、效率高等优点,被广泛应用在工业生产、人工智能、航空航天等领域。随着电机驱动技术和永磁体材料性能的不断提高,人们对永磁同步电机的要求越来越高。低噪声、高性能的永磁同步电机越来越受到人们的青睐,其振动和噪声问题成为衡量永磁电机性能优劣的重要指标。作为永磁同步电机振动和噪声的重要组成部分,电磁振动和噪声的计算与分析愈发重要。电磁振动和噪声与电机电磁参数、定子模态密切相关,当电机中激振力波的频率与定子的固有振动频率接近时,发生共振,引发强烈的电磁振动和噪声。对永磁同步电机定子的固有振动频率进行准确预测和合理调整,可以有效地避免激振力波频率接近或等于定子的固有振动频率,为削弱电机的振动和噪声提供理论基础。本文对内置式永磁同步电机定子的振动模态做了系统的研究,主要工作和取得的成果如下:1.永磁同步电机定子的径向模态分析在现有研究中,使用有限元分析定子铁心的径向模态时,通常忽略铁心的叠片结构,将其看作一个各向同性的整体,该方法虽然能够快速地得到有限元模型和材料参数,但与定子铁心的实际结构不符且计算误差较大。针对传统定子铁心有限元模型的不足,充分考虑铁心实际的叠片结构,本文将叠压的硅钢片等效为一个各向异性的整体结构。改变三维模型的材料参数,使有限元计算结果收敛到实测值,进而确定了定子铁心的等效材料参数。考虑定子铁心齿部的复杂结构,本文分析了定子铁心齿部的材料参数和结构参数对模态的影响,得到轭厚、槽数、齿宽、齿高等参数对模态的影响规律。对于定子绕组的建模,现有研究将端部绕组以附加质量的形式加到槽内绕组上,但该方法会使其振型缺失端部绕组的振动情况且得到的模态频率偏小。针对上述不足,本文将定子槽内的绕组等效为质量相同的近似圆柱体,端部绕组等效为轴向长度、内外径相等的同心圆环,通过有限元得到其固有振动频率和模态振型,并分析绕组的材料参数和结构参数对固有振动频率的影响。在上述铁心和绕组建模工作的基础上,对电机定子机壳、机壳和铁心整体、机壳和带绕组铁心整体、定子整体进行有限元建模,分析了各个模型的振动模态。最后对定子铁心、绕组和机壳等实物进行模态实验,验证上述建模和有限元分析的准确性。2.电机定子的简化和等效电机定子结构复杂,建模所需时间较长,所以需要对定子结构进行等效和简化。本文使用有限元分析的方法,在保证径向模态频率基本不变的前提下,对电机定子各结构进行等效和简化。考虑齿顶、梨形槽的影响,将定子齿部规则化,实现对定子铁心的简化。然后将定子铁心等效成圆环结构,并与有限元结果进行对比,验证等效模型的正确性。之后把定子铁心槽数Q、槽深H与槽宽Bt的比值、槽宽Bt与齿宽Bs的比值、外径D0与内径D1的比值作为自变量,等效后圆环的外径D0与内径D1,的比值作为因变量,选取具有代表性的15个模型作为计算对象,通过数据拟合的方法,得到梨形槽定子铁心的等效计算公式。之后,考虑到端部绕组的实际伸出长度,给出了绕组的七种等效模型,并用有限元的方法验证了等效模型的准确性。最后,结合有限元分析结果对机壳、铁心与机壳整体、带绕组铁心和机壳整体、端盖、定子整体进行了等效,为下文的解析计算提供等效模型并为电机定子快速建模奠定了基础。3.电机定子径向模态的解析计算在现有的研究中,使用机电类比法计算定子模态频率时,通常将定子齿以附加质量的形式加入到定子轭部,这种计算方法忽略定子齿部刚度,造成解析计算结果误差偏大。为了计及定子铁心齿部对模态的影响,本文将定子齿部单独等效为等质量同心圆环。在计算定子铁心的模态频率时,定子齿与轭部组成双圆环解析模型;在计算带绕组的定子铁心时,将其等效为双圆环之间存在弹性耦合的解析模型;在计算铁心和机壳的整体时,将模型等效为三圆环解析模型。根据解析模型和机电类比原理,可以得到模态表达式和模态频率。这种方法计算的模态频率较传统方法更加准确,为快速估算定子低阶模态频率提供理论基础。4.电机定子轴向模态的分析对于定子的模态分析,大多集中在径向模态的研究上,轴向模态分析较少。在电机运行过程中,轴向振动不可忽视。本文针对有无绕组的两个铁心模型,施加径向和切向约束,通过有限元方法得到定子铁心的轴向模态频率和振型,分析槽口宽、齿宽、轴向长度、轭厚、槽数、齿高等结构参数对轴向模态的影响,并用模态实验法验证有限元分析的正确性,这为后续的轴向模态的解析计算提供了有限元和实验的依据,也为全面分析电机定子的振动情况奠定了基础。