電磁誘導音響ノイズ

電磁誘導音響ノイズ（および振動）、電磁励起音響ノイズ、あるいはより一般的にはコイル鳴きとして知られるノイズは、電磁力の励起下で振動する材料によって直接生成される可聴音です。このノイズの例としては、主電源のハム音、変圧器のハム音、一部の回転電機の鳴き音、蛍光灯のブザー音などが挙げられます。高圧送電線のシューという音は、磁気ではなくコロナ放電によるものです。

この現象は、用途に応じて可聴磁気ノイズ^{[ 1 ]} 、電磁音響ノイズ、積層振動^{[ 2 ]}、電磁誘導音響ノイズ^{[ 3 ]} 、またはまれに電気ノイズ^{[ 4 ]}、あるいは「コイルノイズ」とも呼ばれる。電磁ノイズという用語は、無線周波数を扱う電磁両立性の分野で用いられるため、一般的には避けられる。電気ノイズという用語は、電子回路で生じる電気的摂動を説明するものであり、音を説明するものではない。後者の用法では、構造的現象に焦点を当てた電磁振動^{[ 5 ]}または磁気振動^{[ 6 ]}という用語の方が曖昧さが少ない。

電磁力による音響ノイズと振動は、機械振動や音響ノイズが望ましくない電気的摂動を引き起こす仕組みを説明するマイクロフォニックスの逆数として考えることができます。

一般的な説明

電磁力は、電磁場の存在から生じる力として定義できます。

磁場が存在する場合の電磁力には、マクスウェル応力テンソル、磁気ひずみ、ローレンツ力（ラプラス力とも呼ばれる）による等価力が含まれます。^{[ 7 ]}マクスウェル力は磁気抵抗力とも呼ばれ、電気機械における空気と強磁性体の間など、磁気抵抗率の変化が大きい界面に集中します。また、向かい合う2つの磁石の吸引力や反発力もこの力によって生じます。磁気ひずみ力は強磁性体自体の内部に集中します。ローレンツ力またはラプラス力は、外部磁場にかけられた導体に作用します。

電界の存在による等価電磁力には、静電効果、電歪効果、逆圧電効果が含まれる場合があります。

これらの現象は、電気、磁気、電気機械装置の強磁性体、導電部品、コイル、永久磁石に振動を発生させる可能性があり、振動周波数が20Hzから20kHzの範囲にあり、かつ音響レベルが聞こえるほど高い場合（例えば、放射面積が大きく、振動レベルが大きい場合）、可聴音が発生します。振動レベルは、電磁力が能動部品（磁気回路、電磁コイル、電気回路）またはその筐体の構造モード固有振動数と一致する機械的共振の場合に増加します。

ノイズの周波数は、電磁力の性質（電場または磁場の二次関数または一次関数）と電磁場の周波数内容（特に DC 成分が存在するかどうか）によって異なります。

電気機械における電磁ノイズと振動

電磁トルクは、エアギャップに沿ったマクスウェル応力テンソルの平均値として計算でき、電気機械の電磁力の結果の 1 つです。静的な力であるため、振動や騒音は発生しません。ただし、電磁トルクの高調波変動を表すトルクリップル(開回路の永久磁石同期機ではコギングトルクとも呼ばれる) は、ローターとステーターの両方にねじり振動を生み出す動的な力です。単純な円筒のねじりたわみでは音響ノイズを効率的に放射することはできませんが、特定の境界条件では、ステーターがトルクリップル励起下で音響ノイズを放射することができます。^{[ 8 ]}ローターのシャフトラインの振動がフレーム^{[ 9 ]}およびシャフトラインに伝播すると、トルクリップルによって構造伝達ノイズが発生することもあります。

いくつかの接線方向の磁力高調波は、ステータの歯に作用すると磁気振動や音響ノイズを直接生成する可能性がある。接線方向の力はステータの歯に曲げモーメントを生じさせ、ヨークの半径方向の振動を引き起こす。^{[ 10 ]}

マクスウェル応力には、接線力の高調波に加えて、ヨークの放射状振動の原因となる放射状力の高調波も含まれており、音響ノイズを放射する可能性があります。

受動部品における電磁ノイズと振動

インダクタ

インダクタ（リアクタまたはチョークとも呼ばれる）では、磁気エネルギーは磁気回路のエアギャップに蓄えられ、大きなマクスウェル力が作用します。その結果生じるノイズと振動は、エアギャップの材質と磁気回路の形状に依存します。^{[ 11 ]}

トランスフォーマー

^{変圧器では、巻線にかかるローレンツ力、 [ 12 ]}積層接合部のマクスウェル力、積層コア内部の磁気ひずみなど、負荷状況に応じていくつかの現象によって磁気騒音と振動が発生します。

コンデンサ

コンデンサは大きな静電力にもさらされます。コンデンサの電圧/電流波形が一定でなく、時間高調波を含む場合、いくつかの高調波電気力が発生し、音響ノイズが発生する可能性があります。^{[ 13 ]} 強誘電体コンデンサは圧電効果も示し、可聴ノイズの原因となる可能性があります。この現象は「歌うコンデンサ」効果として知られています。^{[ 14 ]}

電気機械における共振効果

ラジアルフラックス回転電気機械では、電磁力による共振は、励起マクスウェル力と固定子または回転子の固有振動数、および固定子または回転子のモーダル形状と励起マクスウェル高調波波数（エアギャップに沿った力の周期性）が一致しているという2つの条件で発生するため、特殊なものとなります。^{[ 15 ]}

たとえば、力の波数が 2 の場合、ステータの楕円モーダル形状との共振が発生する可能性があります。共振条件下では、エアギャップに沿った電磁励起の最大値とモーダル形状変位の最大値は同位相になります。

数値シミュレーション

方法論

電磁誘導ノイズと振動のシミュレーションは、次の 3 つのステップで実行されるマルチフィジックスモデリングプロセスです。

電磁力の計算
結果として生じる磁気振動の計算
結果として生じる磁気ノイズの計算

これは一般に弱結合問題として考えられており、電磁力による構造の変形は電磁場分布とその結果生じる電磁応力を大きく変化させないと想定されています。

電気機械への応用

電気機械の可聴磁気ノイズの評価は、次の 3 つの方法で行うことができます。

専用の電磁気および振動音響シミュレーションソフトウェア（例：MANATEE ^{[ 16 ]}）を使用する
電磁界解析（Flux、^{[ 17 ]} Jmag、^{[ 18 ]} Maxwell、^{[ 19 ]} Opera ^{[ 20 ]}）、構造解析（Ansys Mechanical、Nastran、Optistructなど）、音響解析（Actran、LMS、Sysnoiseなど）の数値解析ソフトウェアと専用のカップリング手法を組み合わせて使用する。
マルチフィジックス数値シミュレーションソフトウェア環境（例：Comsol Multiphysics、^{[ 21 ]} Ansys Workbench ^{[ 22 ]}）を使用する

電磁ノイズや振動の影響を受ける機器の例

静的デバイス

静的デバイスには、電力貯蔵や電力変換に使用される電気システムやコンポーネントが含まれます。

インダクタ
変圧器^{[ 23 ]}
電力インバータ
コンデンサ
抵抗器：電車のブレーキ抵抗器は、ブレーキ時に架線が受容されないときに電力を消費するために使用されるが、電磁誘導音響ノイズを発生する可能性がある。
コイル:磁気共鳴画像法において、「コイルノイズ」とは、受信コイルの温度がゼロではないために発生するシステム全体のノイズの一部です。

回転装置

回転装置には、電気から機械への動力変換に使用されるラジアルフラックス回転電気機械とアキシャルフラックス回転電気機械が含まれる。

誘導電動機^{[ 24 ]}
永久磁石またはDC巻線ローターを備えた同期モーター
スイッチドリラクタンスモータ

このような装置では、動的な電磁力は、安定した AC 巻線または回転する DC 磁場源 (永久磁石または DC 巻線) から発生する磁場の変化から生じます。

電気機械における磁気ノイズと振動の発生源

健全な機械における磁気ノイズや振動の原因となる高調波電磁力は、

機械のパルス幅変調電源^{[ 25 ]}
スロッティング効果^{[ 26 ]}^{[ 27 ]}^{[ 28 ]}
磁気飽和^{[ 29 ]}

故障した機械では、電磁力による追加の騒音や振動が発生する可能性がある。

機械的な静的および動的偏心^{[ 30 ]}
不均一な空隙^{[ 31 ]}
消磁
短絡
磁気ウェッジが欠落している

不平衡磁気引力（UMP）は、機械的な回転不平衡の電磁的等価性を表します。電磁力が不平衡の場合、ステータとローターにゼロではない正味の磁力が発生します。この力はローターの曲げモードを励起し、追加の振動と騒音を引き起こす可能性があります。

電磁ノイズと振動の低減

電気機械の磁気騒音と振動の低減

電気機械における NVH軽減技術には以下が含まれる。

電気機械の構造応答とは無関係に、電磁励起の振幅を低減する
電磁励起とは無関係に構造応答の大きさを低減する
電磁励起と構造モードの間に発生する共鳴を低減する

電気機械における電磁ノイズおよび振動軽減技術には次のものがあります。

適切なスロット/極の組み合わせと巻線設計を選択する
固定子と電磁励起間の共振の一致を回避する
ステーターまたはローターを傾ける
極形成/極シフト/極ペアリング技術の実装
高調波電流注入または拡散スペクトルPWM戦略の実装
固定子または回転子にノッチ/フラックスバリアを使用する
減衰の増加
可聴周波数範囲外の周波数を上げる

「コイルノイズ」の低減

コイルノイズ軽減対策には以下が含まれます。

接着剤を付ける（例えば、テレビのコイルの上に接着剤の層が付けられることが多いが、何年も経つとこの接着剤は劣化し、音量が上昇する）
コイルの形状を変更する（例：コイルの形状を従来のコイル形状ではなく8の字に変更する）
コイルをデバイスの他の部分から分離して、構造伝播ノイズを最小限に抑えます。
減衰力を高める

実験的なイラスト

変化する電磁力は、移動する DC 磁場源 (例: 回転する永久磁石、DC 電流が供給される回転コイル) または安定した AC 磁場源 (例: 可変電流が供給されるコイル) によって生成されます。

回転する永久磁石による強制振動

このアニメーションは、回転磁石の磁場によって強磁性シートがどのように変形するかを示しています。これは、スロットレス固定子を備えた理想的な1極対永久磁石同期機に対応しています。

可変周波数コイルによる音響共鳴

磁気振動と構造モードの共鳴効果は、鉄製の音叉を用いて説明できます。音叉の片方の爪には、可変周波数電源から供給されるコイルが巻かれています。2つの爪の間を可変磁束密度が循環し、電源周波数の2倍の周波数で2つの爪の間に動的な磁力が発生します。励振力の周波数が音叉の基本モード（約400Hz）と一致すると、強い音響共鳴が発生します。

音声ファイルの例

PMSMモータ（牽引用途）

地下鉄の電動モーターから発生する磁気ノイズの例

参照

参考文献

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外部リンク

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