Analysis of electromagnetic vibration and noise of slotted disk-type asynchronous magnetic couplers

YANG Chaojun; ZHU Zhicheng; WANG Kaixuan; GUO Yafei; ZHANG Yiwen

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.006

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Analysis of electromagnetic vibration and noise of slotted disk-type asynchronous magnetic couplers

Special Topic of Magnetic Transmission | 更新时间：2026-01-23

- Analysis of electromagnetic vibration and noise of slotted disk-type asynchronous magnetic couplers
- Journal of Mechanical Transmission Vol. 50, Issue 1, Pages: 40-49(2026)
- 作者机构：
  
  1.江苏大学机械工程学院，镇江 212013
  2.重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室，重庆 400044
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.006
  CLC： TH133.4
- Received：24 August 2024，
  
  Revised：2024-11-27，
  
  Published：15 January 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
杨超君，朱志成，王凯旋，等. 开槽盘式异步磁力耦合器电磁振动与噪声分析［J］. 机械传动，2026，50（1）：40-49.

YANG Chaojun，ZHU Zhicheng，WANG Kaixuan，et al. Analysis of electromagnetic vibration and noise of slotted disk-type asynchronous magnetic couplers［J］. Journal of Mechanical Transmission，2026，50（1）：40-49.
杨超君，朱志成，王凯旋，等. 开槽盘式异步磁力耦合器电磁振动与噪声分析［J］. 机械传动，2026，50（1）：40-49. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.006.

YANG Chaojun，ZHU Zhicheng，WANG Kaixuan，et al. Analysis of electromagnetic vibration and noise of slotted disk-type asynchronous magnetic couplers［J］. Journal of Mechanical Transmission，2026，50（1）：40-49. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.006.

摘要

目的

磁场交替变换会引起机械部件的振动，从而产生噪声。电磁激振力与电磁转矩的波动是造成电磁振动噪声的主要原因。为了分析电磁激振力与电磁转矩波动的产生机制与作用规律，针对一台9对极16槽的开槽盘式异步磁力耦合器，进行了电磁振动噪声分析。

方法

首先，运用磁势磁导法与麦克斯韦应力张量法，推导出气隙磁密和电磁激振力的理论公式；并结合有限元仿真，得到了气隙磁密和电磁激振力傅里叶分解后的各谐波阶次幅值。其次，基于能量法，推导出齿槽转矩的表达式；运用有限元仿真，得到了磁力耦合器运行时产生的齿槽转矩及电磁转矩波动。再次，建立了电磁-结构-声学多物理场耦合模型；运用模态叠加法，得到了磁力耦合器稳定运行时产生的振动加速度与振动位移，并分析了其电磁噪声特征。最后，搭建磁力耦合器试验平台，测试了磁力耦合器稳定运行时的电磁噪声；将试验结果与仿真结果进行比较，以验证理论分析的正确性。

结果

结果表明，低阶电磁激振力是造成磁力耦合器振动的主要原因，且当电磁激振力频率与磁力耦合器固有频率相近时会产生较大振动。对比仿真结果，通过磁力耦合器试验平台得到的试验结果证明了理论分析的正确性。

Abstract

Objective

Alternating magnetic fields induce vibrations in mechanical components

thereby generating noise. Fluctuations in electromagnetic excitation forces and electromagnetic torque are the primary causes of electromagnetic vibration noise. To analyze the generation mechanisms and functional patterns of these fluctuations

an electromagnetic vibration noise analysis was conducted on a slotted disk-type asynchronous magnetic coupler with 9 pole pairs and 16 slots.

Methods

Firstly

theoretical formulas for air-gap magnetic flux density and electromagnetic excitation force were derived using the magnetic scalar potential permeance method and Maxwell stress tensor method. Combined with finite element simulation

the harmonic order amplitudes of the Fourier decomposition of air-gap magnetic flux density and electromagnetic excitation force were obtained. Secondly

based on the energy method

an expression for cogging torque was derived. Finite element simulation was employed to determine the cogging torque and electromagnetic torque fluctuations generated during the operation of the magnetic coupler. Thirdly

an electromagnetics-structural-acoustic multi-physics coupling model was established. Using the modal superposition method

vibration acceleration and displacement produced during stable operation of the magnetic coupler were obtained

and the characteristics of its electromagnetic noise were analyzed. Finally

a test platform for the magnetic coupler was constructed to measure electromagnetic noise during stable operation. Test results were compared with simulation outcomes to validate the theoretical analysis.

Results

The results indicate that low-order electromagnetic excitation forces are the main causes of vibrations in the magnetic coupler

and significant vibrations occur when the frequency of the electromagnetic excitation force approaches the natural frequency of the magnetic coupler. Comparison with simulation results shows that the test data obtained from the magnetic coupler test platform confirm the accuracy of the theoretical analysis.

关键词

Keywords

references

刘昊，张建中，马志勇，等 . 大启动转矩调速型磁力耦合器特性分析［J］. 煤矿安全， 2023 ， 54 （ 6 ）： 249 - 254 .

LIU Hao ， ZHANG Jianzhong ， MA Zhiyong ， et al . Performance analysis of speed adjustable magnetic coupling with high starting torque ［J］. Safety in Coal Mines ， 2023 ， 54 （ 6 ）： 249 - 254 .

杨超君，朱莉，吴盈志，等 . 开槽型盘式异步磁力耦合器调速特性［J］. 电机与控制学报， 2021 ， 25 （ 11 ）： 130 - 138 .

YANG Chaojun ， ZHU Li ， WU Yingzhi ， et al . Speed-control characteristics of slotted-type axial-flux asynchronous magnetic couplers ［J］. Electric Machines and Control ， 2021 ， 25 （ 11 ）： 130 - 138 .

WU Y L ， ZHANG G M ， WU Y ， et al . Study of magnetic coupler with clutch for superconducting flywheel energy storage system ［J］. IEEE Transactions on Applied Superconductivity ， 2024 ， 34 （ 5 ）： 1 - 5 .

杭天，杨超君，朱继伟，等 . 盘式实心磁力耦合器气隙磁场分布及转矩分析［J］. 机械传动， 2024 ， 48 （ 1 ）： 111 - 119 .

HANG Tian ， YANG Chaojun ， ZHU Jiwei ， et al . Analysis of air gap magnetic field distribution and torque of axial-flux solid magnetic couplers ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2024 ， 48 （ 1 ）： 111 - 119 .

LI W H ， WANG D Z ， GAO Q Z ， et al . Modeling and performance analysis of an axial-radial combined permanent magnet eddy current coupler ［J］. IEEE Access ， 2020 ， 8 ： 78367 - 78377 .

TSYPKIN M . The origin of the electromagnetic vibration of induction motors operating in modern industry：practical experience—analysis and diagnostics ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2017 ， 53 （ 2 ）： 1669 - 1676 .

KOTTER P ， MORISCO D ， BOESING M ， et al . Noise-vibration-harshness-modeling and analysis of a permanent-magnetic disc rotor axial-flux electric motor ［J］. IEEE Transactions on Magnetics ， 2018 ， 54 （ 3 ）： 1 - 4 .

LIU B Q ， ZHANG T Z ， ZHANG H X ， et al . Simulation analysis on electromagnetic vibration and noise of novel mechatronic-electro-hydraulic coupler ［J］. Machines ， 2022 ， 10 （ 9 ）： 762 .

WU Z C ， FAN Y ， CHEN H ， et al . Electromagnetic force and vibration study of dual-stator consequent-pole hybrid excitation motor for electric vehicles ［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology ， 2021 ， 70 （ 5 ）： 4377 - 4388 .

王道涵，彭晨，王柄东，等 . 电动汽车新型转子内置式永磁同步电动机转矩脉动与电磁振动抑制研究［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 14 ）： 5289 - 5300 .

WANG Daohan ， PENG Chen ， WANG Bingdong ， et al . Research on a novel interior permanent magnet machine with segmented rotor to mitigate torque ripple and electromagnetic vibration ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 14 ）： 5289 - 5300 .

王爽，郭永存，胡坤，等 . 双盘式磁力耦合器振动噪声分析与实验研究［J］. 煤炭学报， 2020 ， 45 （ 2 ）： 811 - 818 .

WANG Shuang ， GUO Yongcun ， HU Kun ， et al . Analysis and experimental study of vibration and noise of double disk magnetic coupler ［J］. Journal of China Coal Society ， 2020 ， 45 （ 2 ）： 811 - 818 .

杨超君，丁逸飞，邰蒋西，等 . 开槽盘式磁力耦合器气隙磁场及转矩分析［J］. 机械传动， 2022 ， 46 （ 12 ）： 93 - 99 .

YANG Chaojun ， DING Yifei ， TAI Jiangxi ， et al . Analysis of air gap magnetic field and torque of the slotted-type magnetic couplers ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2022 ， 46 （ 12 ）： 93 - 99 .

彭志卓 . 磁体旋转型鼠笼盘式磁力耦合器齿槽调制与调速性能研究［D］. 镇江：江苏大学， 2021 ： 34 - 39 .

PENG Zhizhuo . Study on slot modulation and speed-regulation performance of magnet rotation-type cage axial-flux magnetic coupler ［D］. Zhenjiang ： Jiangsu University ， 2021 ： 34 - 39 .

杨超君，孙现友，马超，等 . 开槽盘式磁力耦合器电磁转矩理论分析［J］. 机械传动， 2024 ， 48 （ 10 ）： 105 - 112 .

YANG Chaojun ， SUN Xianyou ， MA Chao ， et al . Theoretical analysis of electromagnetic torque of the slotted-type magnetic couplers ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2024 ， 48 （ 10 ）： 105 - 112 .

LIU G H ， GUAN R ， XU L . Unequal stator modulated teeth structure to reduce electromagnetic vibration in permanent magnet vernier machine ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2023 ， 70 （ 12 ）： 12036 - 12047 .

彭晨 . 半对称型转子永磁同步电动机基本机理及转矩脉动与电磁振动抑制［D］. 济南：山东大学， 2023 ： 58 - 62 .

PENG Chen . Principle analysis and torque ripple/electromagnetic vibration mitigation of permanent magnet synchronous motor with semi-symmetrical rotor ［D］. Jinan ： Shandong University ， 2023 ： 58 - 62 .

李晓华，黄苏融，李良梓 . 电动汽车用永磁同步电机振动噪声的计算与分析［J］. 电机与控制学报， 2013 ， 17 （ 8 ）： 37 - 42 .

LI Xiaohua ， HUANG Surong ， LI Liangzi . Calculation and analysis of vehicle vibration and noise of permanent magnet synchronous motor applied in electric vehicle ［J］. Electric Machines and Control ， 2013 ， 17 （ 8 ）： 37 - 42 .

谢颖，辛尉，蔡蔚，等 . 内置式永磁同步电机不同转子拓扑结构的电磁性能及电磁振动噪声分析［J］. 电机与控制学报， 2023 ， 27 （ 1 ）： 110 - 119 .

XIE Ying ， XIN Wei ， CAI Wei ， et al . Electromagnetic performance and electromagnetic vibration noise analysis of different rotor topologies of interior permanent magnet synchronous motor ［J］. Electric Machines and Control ， 2023 ， 27 （ 1 ）： 110 - 119 .

朱继伟 . 开槽型盘式磁力耦合器的磁体温升预测及散热结构研究［D］. 镇江：江苏大学， 2023 ： 23 - 24 .

ZHU Jiwei . Prediction of magnetic temperature rise and research on heat dissipation structure of slotted disk magnetic coupler ［D］. Zhenjiang ： Jiangsu University ， 2023 ： 23 - 24 .

WANG L X ， WANG X Y ， LI N ， et al . Modelling and analysis of electromagnetic force，vibration，and noise in permanent magnet synchronous motor for electric vehicles under different working conditions considering current harmonics ［J］. IET Electric Power Applications ， 2023 ， 17 （ 7 ）： 952 - 964 .

YANG X W ， LIU Y G ， WANG L . An improved analytical model of permanent magnet eddy current magnetic coupler based on electromagnetic-thermal coupling ［J］. IEEE Access ， 2020 ， 8 ： 95235 - 95250 .

何悦波，崔国旭，刘海，等 . 基于声能叠加的TGDI汽油机噪声分离方法［J］. 内燃机学报， 2022 ， 40 （ 4 ）： 351 - 356 .

HE Yuebo ， CUI Guoxu ， LIU Hai ， et al . Noise separation method of TGDI engine based on sound energy superposition ［J］. Transactions of CSICE ， 2022 ， 40 （ 4 ）： 351 - 356 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Research on Turning Deformation After Heat Treatment to Aviation Gears with Thin Webs Considering Multi-physics Coupling Effects

Optimization Analysis of Gear Micro Parameters of Hybrid Transmission Cases

Research of Vibration and Noise Analysis Method of High-speed Gear for Electric Vehicle

Modification Design and Test of Heavy Load Gear of Reducer for Mine based on MASTA

Simulation Analysis of Vibration and Noise Characteristic of Rocket Artillery Elevating Mechanism Planetary Reducer

Related Author

Tang Jinyuan

Tao Qi

Tang Zhongwei

Tang Cheng

Luo Qin

Wang Hui

Zhang Xi

Chen Yiqing

Related Institution

AECC Zhongchuan Transmission Machinery Co., Ltd.

College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University

State Key Laboratory of Precision Manufacturing for Extreme Service Performance, Central South University

School of Intelligent Manufacturing and Automotive Engineering, Guang'an Vocational & Technical College

Center of Equipment Manufacturing Application Technology Collaborative Innovation,Guang'an Vocational & Technical College

⁰