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1、报告名称TRI与应用大作业项目名称基于TRI电动汽车驱动用感应电机的电磁噪声研究公司浙江大学宁波理工学院项目组名称姓名 学号项目的工作周期2013.10.8 2014.1.82目 录宋体1号，目录内容小四宋体，1.5倍行距1项目描述21.1 问题初始情境描述21.2 主要缺点21.3 主要缺点在什么情况下出现21.4 此缺点如何在类似的工程系统或工艺流程中被解决22问题分析与分解32.1 问题3基于TRI电动汽车驱动用感应电机的电磁噪声研究32.2 系统分析32.3 系统分析模块产生的转化问题列表42.4 问题分解图42.4.1 问题1：基于TRI电动汽车驱动用感应电机的电磁噪声研究42.4.
2、2 问题2：基于TRI电动汽车驱动用感应电机的电磁噪声研究42.4.3 问题3：基于TRI电动汽车驱动用感应电机的电磁噪声研究43 问题解决63.1解决问题向导63.2方案库查询解决方案63.2.1 How to prevent 产生较大电磁噪声 of 定子绕组?6(1) 标准解决方案6(2) 最终解决方案73.3 运用矛盾矩阵、发明原理的解决方案设计83.4 基于物-场分析法的方案设计93.4.1 机壳研究93.5 基于技术系统进化法则的方案设计123.5.1 感应电机机壳的进化路线描述124结论131 项目描述1.1 问题初始情境描述1）定子铁心齿对感应电机定子结构固有模态影响正文小四宋体
3、，1.5倍行距；2）定子绕组对感应电机定子结构固有模态影响；3）机壳对感应电机定子结构固有模态影响；4）端盖对感应电机定子结构固有模态影响；5）转子结构对感应电机结构固有模态影响。1.2 主要缺点1） 定子铁心：很可能辐射较大的电磁噪声；2）定子绕组：定子铁心各阶径向固有模态的固有频率增大时，随着振型的增加，影响程度也增大；3）机壳：使电磁共振的转速工作点增多，增大了电机设计时避免电磁共振的难度；4）转子：转子结构使电机结构的固有频率下降，对低阶固有频率的下降程度较高。1.3 主要缺点在什么情况下出现1）定子铁心：与电机相应次数电磁力波发生电磁共振时；2）定子绕组：绕组与定子铁心完全不接触时；
4、绕组与定子铁心紧密接触时；3）机壳：机壳产生的局部模态现象；4）转子：转子本身结构问题。1.4 此缺点如何在类似的工程系统或工艺流程中被解决(1) 电磁力波幅值随负载的增大而增大；产生幅值较大电磁力波的主要为定、转子齿谐波，尤其是一阶齿谐波；电磁力波幅值随转速的变化规律决定于定子电流和转差随转速的变化规律，并受饱和的影响；电磁力波的最高频率越低，在电机调速范围内产生电磁共振的可能性越大，消除产生最高频率较低电磁力波的定转子谐波次数有利于避免电磁共振，降低电磁噪声。(2) 适当加厚机壳和端盖可以提高电机结构的固有频率，有利于避免电磁共振的发生；刚度较好且与定子铁心紧密配合的定子绕组可以提高电机结
5、构的固有频率，转子结构降低了电机结构的固有频率，对于电动汽车驱动用感应电机而言，不能忽略转子结构对固有频率的影响。(3) 在满足最大转矩和效率特行的前提下，应尽量选择转子多槽的远槽配合以避免电磁共振的发生；减小开槽宽度、采用矮胖的转子槽形、减小转差可以减小电磁力波的幅值，在满足比功率指标的前提下，适当加厚机壳和端盖可以提高电机结构的固有频率，避免电磁共振的发生。12 问题分析与分解2.1 问题 基于TRI电动汽车驱动用感应电机的电磁噪声研究2.2 系统分析 图2-1 系统分析图2.3 系统分析模块产生的转化问题列表1）How to prevent 产生较大电磁噪声 of 定子绕组?2）How
6、to prevent 对低阶固有频率的下降程度较高 of 旋转轴?3）How to prevent 电磁共振转速工作点增多 of 定子绕组?2.4 问题分解图2.4.1 问题1：基于TRI电动汽车驱动用感应电机的电磁噪声研究a. 问题分解图图2-2 问题1分析图b.问题分解树原因: There is harmful 高介振型. How to eliminate 高介振型?原因: How to prevent 高介振型引起电磁噪声，与电机相应次数电磁力波发生电磁共振?2.4.2 问题2：基于TRI电动汽车驱动用感应电机的电磁噪声研究a. 问题分解图图2-3 问题2分析图b. 问题分解树原因: H
7、ow to prevent 转子结构使电机结构的固有频率下降?矛盾:稳定性 - 功率TRIZ创新原理: 多孔材料原理 2.4.3 问题3：基于TRI电动汽车驱动用感应电机的电磁噪声研究a. 问题分解图图2-4 问题3分析图b. 问题分解树原因: There is presence of 多个电磁共振转速工作点. How to remove 多个电磁共振转速工作点?3 问题解决3.1 解决问题向导1）How to prevent 产生较大电磁噪声 of 定子绕组?2）How to prevent 对低阶固有频率的下降程度较高 of 旋转轴?3）How to prevent 电磁共振转速工作点增多
8、 of 定子绕组?3.2 方案库查询解决方案3.2.1 How to prevent 产生较大电磁噪声 of 定子绕组?(1) 标准解决方案 永磁铁减小高频电路产生的电磁干扰查询表达式: decrease查询方式: 功能非结构化查询解决方案近似程度: 特例方案问题描述: 数字信号的高频成分容易经印刷电路板上的不同导体以不希望的电磁场形式辐射出去。这些电磁场也称为电磁干扰（EMI）。高频电路会产生大量电磁干扰。这些电磁干扰沿阻抗最小的路径传播。阻抗最小的路径通常包括印刷电路板上的不同电路迹线和印刷电路板的接地层。每一高频电流都会产生电磁干扰。电磁干扰强度与高频电流的强度成比例。需要减小高频电路产
9、生的电磁干扰的方法。方案描述: 使用永磁铁减小高频电路产生的电磁干扰。连接有电源的印刷电路板通过电路板迹线为集成电路供电。高频电流沿阻抗最小的路径通过接地层从集成电路流向电源连接。在印刷电路板的接地层附近安装一或多个永磁铁。每个永磁铁都会产生磁通。电子在磁通中流动（电流）时，每个电子都受洛伦兹力作用。洛伦兹力沿垂直于电子运动方向的方向推每个电子。于是洛伦兹力使电子流（即高频电流）弯曲，偏离其原始路径。因此，高频电流在使用永磁铁时通过的路径的阻抗比不使用永磁铁时通过的路径的阻抗大。电流路径阻抗增加使高频电流强度降低，因此可降低电磁干扰强度。因此，永磁铁可减小高频电路产生的电磁干扰。附加信息: 最
10、好使用稀土元素磁性合金制成的永磁铁。 如下图为两个在不同材料是干扰波经过的路径比较: 图3-1 不同材料是干扰波经过的路径图参考专利: 美国专利：6639144, Electromagnetic interference reduction system, 10/28/2003专利权人: Gateway, Inc. (N. Sioux City, SD)发明人: Toh; Tze-Chuen (Vermillion, SD)(2) 用户解决方案 通过以上分析所以我们可以通过改变铁心的原来的材料来减小高频电路产生的电磁干扰如下图中把铁心的制作材料换成永磁铁或者带有永磁铁的材料即可。图3-4 电动
11、机铁心分离图3.3 运用矛盾矩阵、发明原理的解决方案设计第1 步:问题描述功能单一，产品的功能仅仅限于割草上，对于用户的实际需求分析得不够彻底，忽略了产品多样的应用场合；第2 步: 确定技术参数欲改善的参数:35适用性，被恶化的参数:36系统的复杂性第3步：查找TRIZ 矛盾矩阵,从矩阵表查找对应的方格,得到方格中推荐的发明原理序号（如表3.1）。表3.1 矛盾矩阵表被恶化的参数27可靠性36系统复杂性21功率21功率32可制造性欲改善的参数35适用性15,29,37,28与前面发明原理序号对应,得到发明原理：15动态特性原理，29气压与液压结构原理，37热膨胀原理，28机械系统替代原理第4
12、步:发明原理应用综合以上各条发明原理的分析,组合合并是最具有价值的发明原理。方案开发：针对28（机械系统替代原理）可以开发出以下解决方案新型同步带传动系统。解决了复杂路况下的系统可靠性问题，减少了意外震动对电机的损害。降低了故障率。制造成本更为低廉。3.4 基于物-场分析法的方案设计3.4.1 机壳研究机壳产生的局部模态现象使电磁共振的转速工作点增多，增大了电机设计时避免电磁共振的难度。 1）问题1的物场模型根据上述问题可以用图3.7所示的物场模型来描述，该模型的三个元素齐全，但是产生了有害的效果。机械场电机机壳图3.7 机壳对电机的物场模型2）问题1的解决方案针对上述的产生有害效应的物场模型
13、，这种问题有两种解法:a.加入一个新物质(S3)b.增加另一个场(F2)这里采用的解决方案为：加入一个新物质(S3)，用来阻止有害作用。因为压电陶瓷元件降低噪音辐射，所以可以在机壳中加入一个压电陶瓷元件，尽可能的使电机产生的噪声减小。该解决方案的物场模型如图3.8所示。机械场电机 机壳压电元件图3.8 加入压电元件后机壳对电机的物场模型图3.9 加压电陶瓷方案图建议用噪音转换器和一个带有控制器的转速计来形成降低噪音辐射的主动系统。可以调节控制器发出的信号，使降音设备的噪音转换器上的噪音最小化。因此控制器可以根据变化进行自设定和自调整。杆元件用于强化压电陶瓷元件的作用。利用压电陶瓷元件是一种有效
14、且经济的降音的方法，并且需要很小的能量。机械场定子绕组定子铁心紧密接触 图3.15 两者紧密接触后定子铁心对绕组的物场模型图3.14 定子铁心与绕组不完全接触 图3.16 定子铁心与绕组紧密接触方案如图3.16所示。刚度较好且与定子铁心紧密接触的定子绕组可以提高电机结构的固有频率，可以使得共振可能性降低，从而达到了降噪的效果。因此我们在设计时应该选择如图3.16所示的结构关系，提高电机固有频率。3.5 基于技术系统进化法则的方案设计技术系统进化论的主要观点是技术系统的进化并非随机的，而是遵循着一定的客观的进化模式，所有的系统都是向“最终理想化”进化的，系统进化的模式可以在过去的专利发明中发现，并可以应用于新系统的开发。3.5.1 感应电机机壳的进化路线描述TRIZ中向微观级进化的法则指出：系统沿着减小其元件尺寸的方向发展，从最初的尺寸向原子、基本粒子的尺寸进化，同时能够更好的实现相同的功能。本文选择微观化的一条进化路线，如图3.19所示。即进行表面分割：平坦表面形成具有轴向水道表面。平坦平面轴向水道平面图3.19 机壳进化路线这次进化的地方是将原来的表面转化成轴向水道表面，表面轴向水道化后，电机的散热性能提高，从而使得电机的固有频率得到改善。在机壳材料
