基于齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化的冷卻風(fēng)扇異響消除

李允，湯樂(lè)超，陳兵，楊鵬

（1.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，吉林 長(zhǎng)春 130013；2.汽車(chē)振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130011）

前言

永磁電機(jī)具有效率高、比功率較大、功率因數(shù)高、可靠性高和便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用更加深入。然而永磁體和電樞齒相互作用，不可避免地產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，引起振動(dòng)和噪聲，影響系統(tǒng)地控制精度，齒槽轉(zhuǎn)矩是高性能永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和制造中必須考慮和解決的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。

永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱方法主要有極磁偏移法、極弧系數(shù)法、斜槽或斜極法、開(kāi)輔助槽法等多種方法。劉婷等[2]提出磁極偏移角度計(jì)算方法，對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩有顯著削弱效果。文獻(xiàn)[3]提出一種基于能量法的極弧系數(shù)選擇方法，采用有限元方法驗(yàn)證解析法的有效性。安忠良等[4]采用解析法和有限元法相結(jié)合的方式研究了隔磁橋形狀的改變對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。文獻(xiàn)[5-7]介紹了不同輔助槽形狀、尺寸、數(shù)量對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。

本文采用有限元法，通過(guò)優(yōu)化電樞齒頂輔助槽形狀、尺寸、數(shù)量，減小永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，解決了冷卻風(fēng)扇加速和減速異響問(wèn)題。本方法僅調(diào)整電樞齒頂部結(jié)構(gòu)，改動(dòng)量小，周期短，不增加成本，為永磁電機(jī)異響問(wèn)題解決提供參考。

1 齒槽轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)表達(dá)式

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)固有特性，由永磁體和電樞齒之間相互作用力的切向分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，用電機(jī)不通電時(shí)的磁共能對(duì)于位置角的負(fù)倒數(shù)表示。

當(dāng)不考慮斜槽時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩T為：

式中，P為極對(duì)數(shù)，Z為電機(jī)定子槽數(shù)，Lα為電驅(qū)鐵芯軸向長(zhǎng)度，μ0為真空磁導(dǎo)率，R2為定子軛內(nèi)半徑，R1為電驅(qū)外半徑，n為使nZ/2p為整數(shù)的整數(shù)，Br為永磁體剩磁。

由式（1）可知，只有Br的nZ/2p次諧波分量才對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生作用，其他諧波分量對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩沒(méi)有影響。

2 冷卻風(fēng)扇異響優(yōu)化

2.1 問(wèn)題分析

在某車(chē)型冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，冷卻風(fēng)扇起動(dòng)或停止過(guò)程中出現(xiàn)多次異響，臺(tái)架噪聲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。在轉(zhuǎn)速為400 r/min、700 r/min、850 r/min時(shí)，20階和40階噪聲突出，總噪聲存在15.2 dB（A）的峰值，聲品質(zhì)差。

圖1 冷卻風(fēng)扇臺(tái)架噪聲

圖2 電機(jī)殼體振動(dòng)

從圖2可知，異常振動(dòng)出現(xiàn)在特定轉(zhuǎn)速，且出現(xiàn)在多個(gè)頻率段，排除結(jié)構(gòu)共振的可能性。冷卻風(fēng)扇扇葉為 7，電機(jī)為20槽4極，異常振動(dòng)頻率為電機(jī)齒槽整數(shù)倍，且在電機(jī)不通電減速工況時(shí)電機(jī)殼體振動(dòng)依然過(guò)大，與齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理相對(duì)應(yīng)，可判定異常振動(dòng)由冷卻風(fēng)扇電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大引起。

2.2 齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化方案

為降低齒槽轉(zhuǎn)矩，在電樞齒頂開(kāi)設(shè)輔助槽是一種簡(jiǎn)單、有效的方法，常見(jiàn)為半圓槽、矩形槽，受齒寬限制，一般開(kāi)設(shè)1個(gè)或2個(gè)。

開(kāi)輔助槽相當(dāng)于增加齒槽轉(zhuǎn)矩基波周期數(shù)，對(duì)原有槽口的齒槽轉(zhuǎn)矩起抵償作用，從而使得總齒槽轉(zhuǎn)矩幅值降低。一個(gè)槽距的基波齒槽轉(zhuǎn)矩周期數(shù)為：

式中，Nc為定子槽數(shù)Z和極數(shù)2p的最小公倍數(shù)，Nm為兩者的最大公約數(shù)。

輔助槽數(shù)Z應(yīng)當(dāng)避免Z+1=kNp或者Z+1=Np/k，k=1，2，3…，否則齒槽轉(zhuǎn)矩可能因開(kāi)設(shè)輔助槽而增大。

本文分析輔助槽尺寸、數(shù)量及間距對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 齒槽轉(zhuǎn)矩分析及優(yōu)化

根據(jù)電機(jī)參數(shù)建立磁場(chǎng)分析有限元模型，電機(jī)轉(zhuǎn)子以恒定速度旋轉(zhuǎn)，將電樞繞組中的電流設(shè)置為零，用以模擬繞組開(kāi)路的情況，利用瞬態(tài)磁場(chǎng)有限元模型計(jì)算的力矩即為齒槽轉(zhuǎn)矩。輔助槽布置方案如圖3所示。

圖3 輔助槽布置示意圖

電機(jī)優(yōu)化方案及齒槽轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果如表1所示，可知：

（1）開(kāi)設(shè)半徑為1.0 mm半圓槽，齒槽轉(zhuǎn)矩反而增加0.6 N·mm，隨著半徑降低，齒槽轉(zhuǎn)矩隨之也降低?？紤]到制造可行性，半徑0.4 mm時(shí)最大降低量0.9 N·mm；

（2）開(kāi)設(shè)雙半圓輔助槽，間距0.5 mm時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩降低0.5 N·mm，隨著間距增大，齒槽轉(zhuǎn)矩也隨之降低，間距1.5 mm時(shí)最大降低量1.0 N·mm；

（3）開(kāi)設(shè)寬度為1.0 mm、深度為0.5 mm、間距為3.0 mm雙矩形輔助槽，齒槽轉(zhuǎn)矩最小，與原方案相比降低 3.9 N·mm，降低量約為原方案總值的10%。

表1 齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化方案及效果

2.4 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù) 2.3分析，試制雙矩形槽方案，臺(tái)架噪聲試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，優(yōu)化后電機(jī)轉(zhuǎn)速400 r/min時(shí)總噪聲降低16.3 dB（A）、700 r/min時(shí)總噪聲降低7.7 dB（A）、850 r/min時(shí)總噪聲降低 17.3 dB（A），主觀評(píng)價(jià)無(wú)異響。其中，電機(jī)轉(zhuǎn)速400 r/min、700 r/min時(shí)，40階噪聲降低最大；電機(jī)轉(zhuǎn)速850 r/min時(shí)，20階噪聲對(duì)總噪聲改善貢獻(xiàn)最大。

圖4 優(yōu)化前后冷卻風(fēng)扇臺(tái)架噪聲

3 結(jié)論

本文針對(duì)車(chē)用冷卻風(fēng)扇永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大導(dǎo)致的加減速異響問(wèn)題，研究了電樞齒頂部開(kāi)設(shè)輔助槽對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，采用雙矩形輔助槽方案，解決了冷卻風(fēng)扇加減速異響問(wèn)題。研究表明：

（1）永磁電機(jī)不通電減速，在特定轉(zhuǎn)速下存在齒槽階次及其諧階次振動(dòng)噪聲異常，為電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大引起，需要對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制；

（2）開(kāi)輔助槽相當(dāng)于增加齒槽轉(zhuǎn)矩基波周期數(shù)，輔助槽結(jié)構(gòu)布置合理，對(duì)原有槽口的齒槽轉(zhuǎn)矩起抵償作用，有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩；

（3）齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)輔助槽形狀、數(shù)量、尺寸敏感，設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合工藝水平，合理選擇輔助槽槽型，嚴(yán)格控制加工偏差。