基于分段隔磁橋的V型轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的振動(dòng)噪聲削弱方法

陳麗香, 姜植元, 孫 寧

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心, 遼寧 沈陽(yáng) 110870)

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),由于傳統(tǒng)燃油汽車會(huì)消耗能源、污染環(huán)境,新能源汽車漸漸成為人們發(fā)展研究的熱點(diǎn)。隨著科技進(jìn)步,人們乘坐或駕駛汽車時(shí)對(duì)舒適度的要求也變得越來(lái)越高。由此NVH(Noise,Vibration,Harshness)性能指標(biāo)在汽車行業(yè)也成為從業(yè)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題[1]。在眾多種類電機(jī)中,永磁同步電機(jī)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)緊湊、效率高等優(yōu)點(diǎn),常常應(yīng)用于新能源汽車中[2]。而其中V型轉(zhuǎn)子磁鋼的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)會(huì)使得永磁電機(jī)具有較強(qiáng)的弱磁擴(kuò)速、過(guò)載能力,因此經(jīng)常用于新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)中[3]。但這種類型的永磁電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用時(shí),由于需要滿足質(zhì)量較輕、功率密度較高等要求,會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)噪聲[4]。因此,電動(dòng)汽車用永磁電機(jī)在滿足電磁性能的情況下,也要盡量抑制電機(jī)的振動(dòng)噪聲。

近幾年來(lái),在設(shè)計(jì)時(shí)考慮如何抑制永磁同步電機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲是國(guó)內(nèi)外學(xué)者共同研究的熱點(diǎn)問題之一。文獻(xiàn)[5]相比于傳統(tǒng)的單層鐵心結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種雙層鐵心結(jié)構(gòu),同時(shí)改變繞組的排布方式,成功優(yōu)化電機(jī)氣隙磁場(chǎng),抑制了電機(jī)的振動(dòng)噪聲問題。文獻(xiàn)[6]研究分析多種極槽配合下電機(jī)的電磁力階次,同時(shí)分析電磁力產(chǎn)生的原理。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比,最后得出結(jié)論:8極12槽電機(jī)相比于10極12槽電機(jī)能夠更好地減弱電機(jī)的振動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[7]研究硅鋼片中磁致伸縮效應(yīng)對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲的影響,采用有限元法計(jì)算在理想電流下的振動(dòng)噪聲情況并采用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,為之后研究振動(dòng)噪聲提供了參考。文獻(xiàn)[8]研究一臺(tái)35 kW電動(dòng)汽車車用電機(jī),通過(guò)在轉(zhuǎn)子外緣開輔助槽,在多種不同的輔助槽參數(shù)中尋求最優(yōu)結(jié)果,最后得出結(jié)論:合適的輔助槽參數(shù)可以成功地降低電機(jī)的振動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[9]研究20 kW內(nèi)置式永磁電機(jī)中磁鋼層數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響,經(jīng)過(guò)分析對(duì)比、試驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論:合適的磁鋼層數(shù)可以降低電機(jī)的振動(dòng)噪聲情況。文獻(xiàn)[10]研究一種分?jǐn)?shù)槽永磁同步電機(jī),通過(guò)解析法計(jì)算推導(dǎo)不同齒削幅度角情況下各次諧波的幅值,結(jié)果表明這種方法可以減輕電機(jī)振動(dòng)幅度,降低最大噪聲聲壓值。文獻(xiàn)[11]提出了一種優(yōu)化定子齒廓的新方法。通過(guò)有限元方法確定定子齒最佳偏移距離,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明了采用新方案可以成功地減弱電機(jī)振動(dòng)和噪聲幅值。文獻(xiàn)[12]針對(duì)一臺(tái)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)研究不同供電方式對(duì)振動(dòng)噪聲的影響,重點(diǎn)分析在逆變器供電方式下電流諧波對(duì)電磁力的影響。通過(guò)分析多個(gè)工況下樣機(jī)的電磁力波、振動(dòng)噪聲情況,與樣機(jī)試驗(yàn)相互驗(yàn)證對(duì)比得出結(jié)論,逆變器供電方式下引入的電磁力波頻率分量會(huì)使電機(jī)在恒功率調(diào)速下產(chǎn)生較大的振動(dòng)噪聲。

本文針對(duì)一臺(tái)額定功率為104 kW電動(dòng)大巴車用永磁電機(jī),推導(dǎo)電磁力產(chǎn)生的原理,建立電機(jī)仿真模型,并給出了一個(gè)在轉(zhuǎn)子中開設(shè)分段隔磁橋的方法,通過(guò)優(yōu)化氣隙磁通密度,減少諧波、電磁力,在基本不影響電機(jī)電磁性能的情況下,優(yōu)化電機(jī)的振動(dòng)噪聲情況。通過(guò)與不分段隔磁橋、雙層分段隔磁橋兩種方案在電磁、振動(dòng)、噪聲方面進(jìn)行分析對(duì)比,得出結(jié)論,考慮到制作工藝等問題的影響,開設(shè)單層分段隔磁橋可以有效地減弱電機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲,最后通過(guò)原電機(jī)樣機(jī)的振動(dòng)噪聲試驗(yàn)證明了計(jì)算方法的正確性及準(zhǔn)確性。

2 電磁分析

2.1 電機(jī)參數(shù)

本文研究的電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)計(jì)算模型如圖1所示,該電機(jī)是一臺(tái)12極54槽V型轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī),其主要參數(shù)見表1。

表1 永磁同步電機(jī)具體參數(shù)Tab.1 Specific parameters of permanent magnet synchronous motor

圖1 電機(jī)計(jì)算模型Fig.1 Motor calculation model

2.2 電機(jī)徑向電磁力分析

電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生電磁振動(dòng)噪聲的主要原因是電機(jī)的定子受到徑向電磁力作用[13]。電磁力來(lái)源于永磁體和電樞繞組兩者產(chǎn)生的磁場(chǎng)共同作用。在研究永磁電機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲問題之前,首先要計(jì)算分析永磁電機(jī)的徑向電磁力[14]。計(jì)算定子鐵心徑向電磁力的密度時(shí)采用麥克斯韋張量法,表達(dá)式為[15]:

(1)

式中,Br為電機(jī)氣隙徑向磁通密度;fr為定子上的徑向電磁力密度;Bt為電機(jī)氣隙切向磁通密度;μ0為真空磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7H/m。

由于空氣磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率,氣隙中大部分磁力線近似垂直于中心圓弧。因此,切向磁通密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于徑向磁通密度,由此將徑向電磁力簡(jiǎn)化為:

(2)

永磁電機(jī)的氣隙磁通密度由永磁體和電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而成。永磁同步電機(jī)的各個(gè)參數(shù)中,q為每極每相槽數(shù),z為定子槽數(shù),m為相數(shù),p為極對(duì)數(shù)。每極每相槽數(shù)表示為:

(3)

轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁勢(shì)諧波次數(shù)為:

vr=(2k+1)pk=0,1,2,3,…

(4)

將每極每相槽數(shù)化為最簡(jiǎn)形式,a為最簡(jiǎn)形式的分子,d為最簡(jiǎn)形式的分母:

(5)

電機(jī)為整數(shù)槽電機(jī)時(shí),d=1。本文電機(jī)為54槽12極電機(jī),q=3/2,所以d=2。電機(jī)的定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁勢(shì)諧波次數(shù)為:

(6)

式(6)既適用于整數(shù)槽電機(jī)也適用于分?jǐn)?shù)槽電機(jī)。電樞反應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁勢(shì)諧波次數(shù)為:

vs=(3n+1)pn=0,±1,±2,±3,…

(7)

轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)的vr次諧波和電樞磁場(chǎng)的vs次諧波產(chǎn)生的各次階數(shù)電磁力為:

s=vr±vs

(8)

其中徑向電磁力的頻率為:

f=(vr±1)f1

(9)

(10)

式中,n1為電機(jī)轉(zhuǎn)速;f1為電機(jī)基波電頻率,基波電頻率即電機(jī)運(yùn)行的電角速度對(duì)應(yīng)的頻率[16]。電機(jī)存在的前幾階次徑向電磁力波階數(shù)見表2。

表2 徑向電磁力波階次Tab.2 Radial electromagnetic force wave order

3 轉(zhuǎn)子分段隔磁橋

研究如何抑制車用電機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲,就要從減小徑向電磁力幅值角度考慮,而由于徑向電磁力基本上由徑向氣隙磁通密度決定,磁路的不同走向會(huì)改變徑向氣隙磁通密度的大小[17]。本節(jié)在電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中開設(shè)分段隔斷橋并與不分段隔磁橋方案比較分析,在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中開設(shè)分段隔磁橋方案如圖2所示,分段隔磁橋參數(shù)如圖3所示,不分段隔磁橋如圖4所示。分段隔磁橋相比于不分段隔磁橋的優(yōu)勢(shì)在于可以弧形排列,更好地優(yōu)化氣隙磁通密度的波形,同時(shí)使用起來(lái)也更加靈活、方便。

圖3 分段隔磁橋參數(shù)Fig.3 Segmented isolation bridge parameters

圖4 不分段隔磁橋示意圖Fig.4 Schematic diagram of non-segmented magnetic bridge

3.1 有限元電磁仿真分析

建立原電機(jī)與在轉(zhuǎn)子中開設(shè)兩種不同隔磁橋的電機(jī)模型,利用Maxwell軟件對(duì)3種電機(jī)模型進(jìn)行求解對(duì)比分析,對(duì)比原電機(jī)與分段隔磁橋模型空載時(shí)的氣隙徑向磁通密度如圖5所示,求解分析各個(gè)模型快速傅里葉變換分解結(jié)果如圖6所示,諧波畸變率見表3。

表3 不同隔磁橋方案諧波畸變率對(duì)比Tab.3 Comparison of harmonic distortion rates of different magnetic bridge schemes

圖5 氣隙徑向磁通密度Fig.5 Air gap radial magnetic flux density

圖6 不同隔磁橋方案徑向氣隙磁通密度傅里葉分解結(jié)果Fig.6 Fourier decomposition results of magnetic density of radial air gap with different magnetic bridge schemes

從圖6、表3可知,在轉(zhuǎn)子中開設(shè)分段隔磁橋相比于不分段隔磁橋?qū)庀洞磐芏然ǚ涤绊懜?相當(dāng)于對(duì)永磁電機(jī)的電磁性能影響甚微;同時(shí)氣隙磁通密度的波形近似于正弦,優(yōu)化程度較好,諧波畸變率也最低。削弱3次、7次諧波的效果較好。

利用場(chǎng)計(jì)算器仿真計(jì)算得到定子齒表面徑向電磁力密度與時(shí)間、空間的結(jié)果如圖7所示,同時(shí)針對(duì)電磁力進(jìn)行二維傅里葉分析,如圖8所示。

圖7 原電機(jī)定子電磁力三維圖Fig.7 Three-dimensional diagram of electromagnetic force of original motor stator

圖8 電磁力二維傅里葉分析結(jié)果Fig.8 Two-dimensional Fourier analysis results of electromagnetic force

從圖8中可以看出,除基波外,2次時(shí)間諧波和12次空間諧波、4次時(shí)間諧波和24次空間諧波產(chǎn)生的電磁力諧波較大,將前者認(rèn)為是諧波1、后者認(rèn)為是諧波2。然后將電磁力諧波幅值進(jìn)行比較,如圖9所示。分段隔磁橋相比不分段隔磁橋可以在略微影響基波的情況下,降低諧波2的幅值效果更好。

圖9 不同隔磁橋方案電磁力諧波幅值比較圖Fig.9 Comparison of harmonic amplitudes of electromagnetic forces of different bridge schemes

3.2 振動(dòng)噪聲分析

將電磁仿真的二維場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入Workbench諧響應(yīng)分析模型中,并進(jìn)行諧響應(yīng)分析[16]。設(shè)置求解頻率范圍為0～10 000 Hz。導(dǎo)入的載荷作用點(diǎn)設(shè)置在定子齒的幾何中心,對(duì)電機(jī)的振動(dòng)進(jìn)行分析。根據(jù)得到的振動(dòng)結(jié)果,對(duì)振幅較大頻率下的電磁力諧波幅值進(jìn)行比較,最后得到不同方案下振動(dòng)位移曲線和電磁力諧波幅值比較曲線如圖10、圖11所示。

圖10 不同隔磁橋方案振動(dòng)位移對(duì)比圖Fig.10 Comparison of vibration displacement of different magnetic bridge schemes

圖11 不同隔磁橋方案振幅較大頻率下電磁力諧波幅值Fig.11 Harmonic amplitudes of electromagnetic force with larger amplitudes of different magnetic bridge schemes

由圖10、圖11得,電機(jī)在4 250 Hz、6 250 Hz、8 250 Hz頻率下振動(dòng)較大,開設(shè)分段隔磁橋可降低電機(jī)在定子齒上的振動(dòng),從而影響電機(jī)的電磁噪聲。比較電磁力諧波幅值可知,分段隔磁橋與不分段隔磁橋兩者在振幅較大頻率下電磁力諧波幅值基本一致,同樣較原電機(jī)相比幅值較低,但不分段隔磁橋影響基波程度較大,而分段隔磁橋模型能在不影響電磁性能的情況下,降低振動(dòng)幅度。將振動(dòng)結(jié)果導(dǎo)入聲場(chǎng)模型中進(jìn)行聲場(chǎng)分析,如圖12所示。

圖12 不同隔磁橋方案噪聲頻譜對(duì)比結(jié)果Fig.12 Comparison of noise spectrum of different magnetic bridge schemes

如圖12所示,分段隔磁橋模型與原電機(jī)、不分段隔磁橋兩種模型相比,有效降低了電機(jī)的噪聲情況,不僅在整體趨勢(shì)上減弱了電機(jī)的電磁噪聲,在電機(jī)基波電頻率偶數(shù)倍對(duì)應(yīng)的重點(diǎn)頻率4 250 Hz、6 250 Hz、8 250 Hz下的噪聲有很好的削弱效果。各方案噪聲數(shù)據(jù)分析見表4。

表4 不同隔磁橋方案噪聲數(shù)據(jù)分析對(duì)比Tab.4 Analysis and comparison of noise data of different magnetic bridge schemes

4 轉(zhuǎn)子雙層分段隔磁橋

隔磁橋大小、形狀、數(shù)量等因素都會(huì)影響磁路中磁阻的大小,從而影響電機(jī)的振動(dòng)、電磁噪聲。本文在轉(zhuǎn)子中開設(shè)單層分段隔磁橋方案的基礎(chǔ)上,在原位置下方開設(shè)另一層分段隔磁橋形成雙層分段隔磁橋,其中孔的大小參數(shù)不變,并與第3節(jié)中單層分段隔磁橋進(jìn)行對(duì)比分析,研究其對(duì)電機(jī)電磁性能與振動(dòng)噪聲的影響。圖13為雙層分段隔磁橋示意圖。

圖13 雙層分段隔磁橋示意圖Fig.13 Schematic diagram of double-layer segmented magnetic isolation bridge

4.1 有限元電磁仿真分析

建立雙層分段隔磁橋方案的電機(jī)模型后,借助Maxwell對(duì)原電機(jī)、第3節(jié)中提出的單層分段隔磁橋、雙層分段隔磁橋三種電機(jī)模型進(jìn)行分析對(duì)比,空載徑向氣隙磁通密度快速傅里葉變換分解結(jié)果如圖14所示,諧波畸變率見表5。

表5 兩種分段方式諧波畸變率對(duì)比結(jié)果Tab.5 Comparison of harmonic distortion rate between two piecewise methods

圖14 兩種分段方式徑向磁通密度傅里葉分解結(jié)果Fig.14 Two piecewise Fourier decomposition results of radial magnetic density

從圖14、表5可以看出,雙層分段隔磁橋相比于單層隔磁橋來(lái)說(shuō),降低氣隙磁通密度波形的3、7次諧波的效果基本不變,諧波畸變率也大致相同。計(jì)算完定子齒表面徑向電磁力密度與時(shí)間、空間的結(jié)果后,同樣將2次時(shí)間諧波和12次空間諧波、4次時(shí)間諧波和24次空間諧波產(chǎn)生的電磁力認(rèn)為是諧波1、后者認(rèn)為是諧波2,然后對(duì)電磁力諧波幅值進(jìn)行比較如圖15所示。

圖15 兩種分段方式電磁力諧波幅值比較圖Fig.15 Comparison of harmonic amplitudes of electromagnetic forces of two piecewise modes

雙層分段隔磁橋相比于單層分段隔磁橋影響基波的程度會(huì)大一些,前者降低諧波2效果好一點(diǎn),但是兩者降低諧波1效果基本相同。

4.2 振動(dòng)噪聲分析

同樣將電磁力結(jié)果導(dǎo)入到Workbench諧響應(yīng)分析模型中進(jìn)行振動(dòng)分析,得到的結(jié)果如圖16所示,然后對(duì)振幅較大頻率下的電磁力諧波幅值進(jìn)行比較,如圖17所示。

圖16 兩種分段方式振動(dòng)位移對(duì)比圖Fig.16 Comparison of vibration displacement between two piecewise modes

圖17 兩種分段方式振幅較大頻率下的電磁力諧波幅值Fig.17 Harmonic amplitudes of electromagnetic force at larger frequencies of two piecewise modes

由圖16、圖17可以看出,電機(jī)在4 250 Hz、6 250 Hz、 8 250 Hz頻率下的振動(dòng)較大,雙層隔磁橋不管是在振動(dòng)幅度還是振幅較大頻率下的電磁力諧波幅值都比單層隔磁橋略小一些。然后將振動(dòng)結(jié)果導(dǎo)入聲場(chǎng)模型中進(jìn)行聲場(chǎng)分析,如圖18所示,噪聲數(shù)據(jù)分析見表6。

表6 兩種分段方式噪聲數(shù)據(jù)分析對(duì)比Tab.6 Analysis and comparison of noise data of two segmentation methods

圖18 兩種分段方式噪聲頻譜對(duì)比結(jié)果Fig.18 Comparison results of noise spectrum between the two segmentation modes

如圖18、表6所示,開設(shè)雙層分段隔磁橋與單層分段隔磁橋相比,噪聲整體趨勢(shì)基本相同,噪聲峰值下降幅度、噪聲整體下降幅度基本相同,前者峰值下降幅度略大一些?？傮w來(lái)說(shuō),兩種分段隔磁橋方法相比于原電機(jī)在降低噪聲水平都有不錯(cuò)的效果,證明了優(yōu)化措施的有效性。

5 電機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算方法的正確性及準(zhǔn)確性,本文將原V型轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果做了對(duì)比分析。噪聲實(shí)驗(yàn)在沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心消聲室內(nèi)進(jìn)行。樣機(jī)、測(cè)量點(diǎn)位如圖19～圖21所示。

圖19 噪聲測(cè)量樣機(jī)圖Fig.19 Noise measurement prototype

圖20 噪聲測(cè)量點(diǎn)側(cè)視圖Fig.20 Side view of noise measurement point

圖21 噪聲測(cè)量點(diǎn)俯視圖Fig.21 Top view of noise measurement point

考慮到車用電機(jī)的實(shí)際情況,對(duì)電機(jī)空載運(yùn)行的兩個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行噪聲測(cè)試分別為1 250 r/min、 2 500 r/min,與仿真結(jié)果的對(duì)比見表7、表8。

表7 1 250 r/min轉(zhuǎn)速下噪聲分析和測(cè)量結(jié)果Tab.7 Noise analysis and measurement results at 1 250 r/min

表8 2 500 r/min轉(zhuǎn)速下噪聲分析和測(cè)量結(jié)果Tab.8 Noise analysis and measurement results at 2 500 r/min

通過(guò)對(duì)表7、表8中各點(diǎn)的計(jì)算值和測(cè)量值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),模型仿真分析和樣機(jī)試驗(yàn)兩種情況下的計(jì)算誤差約為5%,誤差范圍符合設(shè)計(jì)要求,進(jìn)一步證明了本文計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和正確性。

6 結(jié)論

本文針對(duì)一臺(tái)額定功率為104 kW電動(dòng)大巴車用永磁電機(jī),在有限元軟件中建立仿真模型,對(duì)電機(jī)的電磁性能、振動(dòng)、噪聲情況進(jìn)行求解分析,并提出一種在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中開設(shè)單層分段隔磁橋的優(yōu)化方法,并與不分段隔磁橋、雙層分段隔磁橋進(jìn)行比較分析。并將原電機(jī)的有限元仿真結(jié)果與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果互相驗(yàn)證,證明了計(jì)算方法的合理性、有效性,得到以下結(jié)論:

(1)本文所研究的分?jǐn)?shù)槽12極54槽永磁同步電機(jī)存在的較低電磁力波階次為0階與6階。

(2)在轉(zhuǎn)子中開設(shè)分段隔磁橋相比于不分段隔磁橋可以有效改善氣隙磁通密度波形,降低諧波含量、諧波畸變率,達(dá)到減小徑向電磁力幅值的效果,從而減小電機(jī)的振動(dòng)、電磁噪聲。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后電機(jī)的噪聲峰值下降7.8%,整體趨勢(shì)下降較為明顯。

(3)雙層分段隔磁橋相比于單層分段隔磁橋方案,整體趨勢(shì)基本不變,噪聲峰值下降幅度略微大一些,考慮到制作工藝的影響,開設(shè)單層分段隔磁橋較為合適。

(4)本文V型轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)噪聲的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)誤差均在5%以下,符合設(shè)計(jì)要求,證明了本文計(jì)算方法正確性及準(zhǔn)確性。