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、またはより一般的にはコイル鳴きとして知られているものは、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。このノイズの例には、主電源のハム音、変圧器のハム音、一部の回転電気機械の鳴き音、蛍光灯のブザー音などがあります。高電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]や「コイルノイズ」とも呼ばれます。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使用されているため、一般的には使用されません。電気ノイズという用語は、電子回路で発生す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ありません。後者の用途では、構造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くなります。}

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擾乱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）による同等の力が含まれます。^{[7]マクスウェル力は磁気抵抗力とも呼ばれ、電気機械の空気と}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、外部磁場に浸さ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、永久磁石の振動を潜在的に生成し、振動の周波数が 20 Hz から 20 kHz の間であり、音量が聞こえるほど高い場合 (例: 放射面積が大きく、振動レベルが大きい)、可聴音が発生します。振動レベルは、電磁力がアクティブコンポーネント (磁気回路、電磁コイル、電気回路) またはそのエンクロージャの構造モードの固有周波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、振動も騒音も発生しません。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発生させる動的な力です。単純な円筒のねじりたわみでは効率的に音響ノイズを放射できませんが、特定の境界条件では、ステーターはトルクリップル励起下で音響ノイズを放射できます。^{[8]ローターのシャフトラインの振動がフレーム}^[9]と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も発生する可能性があります。

接線方向の磁力高調波の中には、ステータの歯に作用すると直接的に磁気振動や音響ノイズを発生させるものがあります。接線方向の力はステータの歯に曲げモーメントを発生させ、ヨークの半径方向の振動を引き起こします。^[10]

マクスウェル応力には、接線方向の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、これが音響ノイズを放射する可能性があります。

受動部品の電磁ノイズと振動

インダクタ

インダクタ（リアクター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適用されます。結果として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]積層板の接合部におけるマクスウェル力、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ノイズと振動が発生します。

コンデンサ

コンデンサーは大きな静電力の影響を受けます。コンデンサーの電圧/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現れ、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ーは、可聴ノイズの原因となる圧電効果も示します。この現象は「歌うコンデンサー」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、特に重要です。^[15]

たとえば、力の波数が 2 の場合、ステータの楕円形のモード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ド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によって電磁場分布やその結果生じる電磁応力が大きく変化し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。

専用の電磁波・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（Flux、^[17] Jmag、^[18] Maxwell、^[19] Opera ^[20]）、構造（Ansys Mechanical、Nastran、Optistructなど）、音響（Actran、LMS、Sysnoiseなど）の数値ソフトウェアと専用のカップリング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:磁気共鳴画像法では、「コイルノイズ」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軸方向フラックス回転電気機械が含まれます。

誘導電動機^[24]
永久磁石または直流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ー

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ことがあります。

機械的な静的および動的偏心^[30]
不均一なエアギャップ^[31]
消磁
ショート
磁気ウェッジが欠落している

不平衡磁気吸引力 (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以外の正味の磁力が発生します。この力により、ローターの曲げモードが励起され、追加の振動とノイズが発生する可能性があります。

電磁ノイズと振動の低減

電気機械の磁気ノイズと振動の低減

電気機械における NVH緩和技術には以下が含まれる。

電気機械の構造的応答とは無関係に、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で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以下のものがあります。

適切なスロット/極の組み合わせと巻線設計を選択する
ステータ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
ステータまたはローターにノッチ/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。

接着剤を少し加える（例えば、テレビのコイルの上に接着剤の層が加えられることが多いが、何年も経つとこの接着剤は劣化し、音量が上がる）
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る
減衰を高める

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、スロットレスステータを備えた理想的な 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、鉄製の音叉を使って説明できます。音叉の突起には、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。可変磁束密度が 2 つの突起の間を循環し、電源周波数の 2 倍で 2 つの突起の間に動的な磁力が発生します。励起力周波数が音叉の基本モード (400 Hz 付近) と一致すると、強い音響共鳴が発生します。

オーディオファイルの例

PMSMモーター（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

参考文献

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外部リンク

可変周波数電流によって磁気励起された共鳴音叉の YouTube 動画
固定周波数の電流によって磁気的に励起された音叉の YouTube 動画
回転する磁石によって変形する強磁性円筒のビデオ（YouTube）

[1] Le Besnerais, J., Lanfranchi, V., Hecquet, M., & Brochet, P. (2010). 誘導機の PWM 電源による可聴磁気ノイズの特性評価と低減。IEEE Transactions on Industrial Electronics。http://doi.org/10.1109/tie.2009.2029529

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