基于有限元法的車用永磁同步電機(jī)電磁噪聲的評(píng)估*

楊 萍， 代 穎，黃蘇融， 張 琪， 應(yīng)紅亮， 徐延?xùn)|

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072;

2.上海電驅(qū)動(dòng)有限公司，上海 200240)

0 引言

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。永磁同步電機(jī)是車用電機(jī)的主要類型之一，有著極好的應(yīng)用前景。車用電機(jī)的振動(dòng)噪聲對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性、安全性和駕駛者舒適性影響較大。與普通的工業(yè)用電機(jī)相比，車用電機(jī)的大轉(zhuǎn)矩、寬調(diào)速和輕量化的要求，使得電機(jī)的電磁、機(jī)械設(shè)計(jì)趨于極限，導(dǎo)致電磁力波的諧波含量多、幅值高，電機(jī)結(jié)構(gòu)剛度難以提高，從而容易引起較大的電磁噪聲［1-3］。

目前采用有限元法仿真永磁電機(jī)電磁噪聲的文獻(xiàn)還不多見，多數(shù)文獻(xiàn)是從電機(jī)結(jié)構(gòu)特性或電磁力兩方面研究電機(jī)固有頻率和電磁振動(dòng)［4-5］，深入到電磁噪聲聲場仿真的文獻(xiàn)還很少。本文基于有限元法研究車用永磁電機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性和電磁力特性，對(duì)電機(jī)的電磁噪聲聲場進(jìn)行仿真，分析電機(jī)空載和負(fù)載工況下關(guān)鍵工作點(diǎn)的電磁噪聲特性。樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)

本文以JMAG有限元仿真軟件為平臺(tái)，仿真電機(jī)關(guān)鍵工作點(diǎn)的二維瞬態(tài)磁場分布、電機(jī)結(jié)構(gòu)固有頻率及電磁噪聲，具體仿真流程如圖1所示。首先，進(jìn)行電磁分析，獲得各工作點(diǎn)的氣隙磁密時(shí)空特性，通過傅里葉變換進(jìn)行氣隙磁密的時(shí)間和空間的諧波分析，提取定子齒尖節(jié)點(diǎn)的徑向電磁力數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間諧波分析，獲得不同頻率下電磁力幅值;然后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，建立永磁電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型，仿真電機(jī)結(jié)構(gòu)的固有頻率;最后，建立頻域分析，加載仿真獲得的電磁力數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維聲場仿真，得出關(guān)鍵工作點(diǎn)的電磁噪聲聲場分布云圖。

圖1 永磁電機(jī)振動(dòng)噪聲有限元仿真流程圖

1 車用永磁同步電機(jī)電磁力有限元分析

對(duì)于中小型電機(jī)而言，定子鐵心內(nèi)表面的各次徑向電磁力波是產(chǎn)生電磁噪聲的主要來源。定子鐵心變形量與電機(jī)徑向電磁力波次數(shù)成反比，與力波幅值成正比，因此幅值較大的低次徑向電磁力波是引起電磁振動(dòng)噪聲的主要根源［6-7］。

車用永磁電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩最高轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)的工作電流大，電磁力幅值大;恒功率最高轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)弱磁控制造成氣隙磁密畸變，電磁力波諧波分量大。這兩個(gè)工作點(diǎn)是容易產(chǎn)生較大電磁噪聲的關(guān)鍵工作點(diǎn)。本文對(duì)車用永磁電機(jī)這兩個(gè)關(guān)鍵工作點(diǎn)的電磁噪聲特性采用有限元法仿真分析。在JMAG有限元軟件仿真平臺(tái)上，建立車用永磁電機(jī)的2D有限元仿真模型，仿真空載和滿載工況下峰值轉(zhuǎn)矩最高轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)4 000 r/min和恒功率最高轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)11 500 r/min的電磁力特性，提取定子齒的節(jié)點(diǎn)電磁力數(shù)據(jù)，通過時(shí)間諧波分析得到不同頻率下的電磁力幅值。仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2(a)可知，電磁力直接作用在定子齒部，提取定子齒部徑向電磁力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在JMAG軟件中利用探針提取定子齒尖受力最大節(jié)點(diǎn)的徑向電磁力進(jìn)行時(shí)間諧波分析，傅里葉分解結(jié)果如圖2(b)所示。其中，0 Hz對(duì)應(yīng)的是電磁力直流分量，對(duì)振動(dòng)噪聲沒有影響;基波磁場產(chǎn)生的2倍基波頻率的電磁力幅值較大，是引起電磁噪聲的主要原因。

由圖2可看出，與峰值轉(zhuǎn)矩最高轉(zhuǎn)速4 000 r/min工作點(diǎn)相比，恒功率最高轉(zhuǎn)速11 500 r/min工作點(diǎn)的高頻電磁力幅值較大，這是由于高速弱磁造成氣隙磁場畸變，諧波含量增多，如4、6、8倍基頻這些諧波產(chǎn)生的電磁激振力頻率低、幅值大、數(shù)量多，易產(chǎn)生與電機(jī)固有頻率接近的振動(dòng)，且力波頻率在人耳敏感范圍內(nèi)(2 000～5 000 Hz)，對(duì)噪聲有較大影響。

圖2 定子齒磁密、電磁力分布和徑向力幅值頻譜

2 車用永磁同步電機(jī)固有頻率模態(tài)分析

模態(tài)分析是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)和估計(jì)的技術(shù)，是結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析基礎(chǔ)［8］。本節(jié)對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，為研究電機(jī)振動(dòng)/噪聲提供力學(xué)分析依據(jù)。

2.1 車用永磁同步電機(jī)有限元法模態(tài)分析

本節(jié)采用有限元法對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)部件(定子鐵心、定子鐵心加繞組)及整機(jī)結(jié)構(gòu)(定轉(zhuǎn)子鐵心、繞組、機(jī)殼、端蓋、轉(zhuǎn)軸和軸承)進(jìn)行模態(tài)分析。首先對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化，假設(shè)各結(jié)構(gòu)部件之間緊密配合，定子繞組等效為體積相同的空心圓柱體，繞組密度和彈性模量按照槽滿率，絕緣材料和氣隙比例進(jìn)行等效。電機(jī)結(jié)構(gòu)部件模態(tài)固有頻率仿真的材料力學(xué)參數(shù)如表 2 所示［2，9-10］。

表2 模態(tài)有限元仿真的材料力學(xué)參數(shù)

有限元模型的網(wǎng)格剖分圖和定子鐵心的2、3、4階模態(tài)振型如圖3所示。電機(jī)結(jié)構(gòu)部件及整機(jī)結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率有限元仿真結(jié)果表3所示。

表3 電機(jī)整機(jī)及結(jié)構(gòu)部件有限元仿真結(jié)果

圖3 電機(jī)結(jié)構(gòu)部件及整機(jī)模態(tài)振型有限元仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果分析可知，定子鐵心疊片鋼材料的各項(xiàng)異性與各向同性相比在低階徑向振動(dòng)的固有頻率上幾乎沒有差別，只是在切向和軸向組合模態(tài)數(shù)量增多，對(duì)樣機(jī)振動(dòng)噪聲的影響很小。由表3可知2階模態(tài)的固有頻率低，對(duì)電機(jī)的振動(dòng)噪聲影響最大。

2.2 車用永磁同步電機(jī)錘擊法模態(tài)試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證有限元分析的有效性，本文采用數(shù)據(jù)采集分析儀MI-7008和N-Modal V5.0模態(tài)分析后處理軟件對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了錘擊法模態(tài)試驗(yàn)。為了盡可能與有限元設(shè)置的邊界約束條件一致，達(dá)到自由模態(tài)的效果，把電機(jī)用彈性較好的繩子懸掛。試驗(yàn)測得定子鐵心2、3、4階振型，如圖4所示。試驗(yàn)測得定子鐵心及整機(jī)各階模態(tài)固有頻率與有限元仿真結(jié)果對(duì)比如表4所示。

圖4 定子鐵心2、3、4階模態(tài)試驗(yàn)振型圖

表4 定子鐵心及整機(jī)模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元仿真結(jié)果對(duì)比

由于試驗(yàn)中力錘錘頭材料的限制使得高于5 000 Hz的頻率響應(yīng)精度低，因此未能測得整機(jī)的4階模態(tài)頻率。試驗(yàn)結(jié)果表明定子鐵心錘擊法模態(tài)分析結(jié)果與有限元仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了有限元分析方法的可信性。電機(jī)整機(jī)2階固有模態(tài)頻率試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果是2 198 Hz，與有限元結(jié)果有一定的誤差，這是由于有限元模態(tài)分析理論不考慮非線性因素，而整機(jī)有限元分析中繞組和接觸摩擦部分進(jìn)行了簡化，結(jié)構(gòu)阻尼增大，非線性因素增加引起的。

3 車用永磁同步電機(jī)電磁噪聲聲場有限元分析

本節(jié)以JMAG有限元仿真軟件為平臺(tái)，仿真車用永磁電機(jī)關(guān)鍵工作點(diǎn)的電磁噪聲聲場分布情況。通過模態(tài)試驗(yàn)的方法測得電機(jī)不同頻率下的阻尼參數(shù)作為電機(jī)三維聲場有限元仿真的阻尼參數(shù)，使有限元仿真結(jié)果更逼近真實(shí)。

樣機(jī)屬于小型電機(jī)，幾何直徑與軸長接近，選擇半徑為1 m球形聲場模型分析電機(jī)的電磁噪聲特性，仿真電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的電磁噪聲。圖5為樣機(jī)關(guān)鍵工作點(diǎn)電磁噪聲有限元仿真結(jié)果，4 000 r/min峰值轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)在2倍基頻(頻率534 Hz)的電磁力作用下產(chǎn)生的電磁噪聲聲場分布云圖如圖5(a)所示;11 500 r/min恒功率最高轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)在2倍基頻(頻率1 543 Hz)的電磁力作用下產(chǎn)生的電磁噪聲聲場分布云圖如圖5(b)所示。

從圖5仿真結(jié)果可知，電機(jī)機(jī)身附近的聲功率較大，電機(jī)端蓋兩端聲功率較小，這是由于徑向電磁激振力直接作用在電機(jī)定子鐵心內(nèi)表面，機(jī)身附近輻射的是電磁噪聲，而電機(jī)端蓋兩端對(duì)外輻射的主要是軸承的機(jī)械噪聲。

空載和滿載工況下峰值轉(zhuǎn)矩最高轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)4 000 r/min及恒功率最高轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)11 500 r/min不同頻率電磁激振力引起的噪聲聲壓級(jí)的仿真結(jié)果如表5所示。

圖5 電機(jī)關(guān)鍵工作點(diǎn)電磁噪聲有限元仿真結(jié)果

表5 樣機(jī)噪聲特性有限元仿真數(shù)據(jù)

式中:Li——各個(gè)噪聲的聲級(jí)值;

n——噪聲的個(gè)數(shù)。

通過查功率比與分貝數(shù)換算表［11］，計(jì)算得出4 000 r/min峰值轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)滿載時(shí)電磁噪聲值為79 dB，空載時(shí)電磁噪聲值為78 dB;滿載恒功率最高轉(zhuǎn)速11 500 r/min工作點(diǎn)電磁噪聲值為81 dB，空載時(shí)電磁噪聲值為79 dB。為了驗(yàn)證采用有限元法預(yù)估電機(jī)電磁噪聲的方法的有效性，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了噪聲試驗(yàn)測試。

試驗(yàn)是在電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)、平均背景噪聲66.2 dB環(huán)境下進(jìn)行的。以電機(jī)在臺(tái)架上的垂直投影中心為球心，測點(diǎn)在空間半徑為1 m的半球表面上，電機(jī)的前、后、左、右及正上方各設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，然后用聲級(jí)計(jì)測出各測點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲

聲級(jí)求和計(jì)算公式為功率級(jí)，求得平均值為87 dB。

試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)約高于有限元法結(jié)果數(shù)據(jù)10%，這主要是由于有限元仿真過程中對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了等效和假設(shè)，與實(shí)際存在一定的誤差;其次，有限元仿真過程是理想的空載狀態(tài)，負(fù)載為0，而實(shí)際試驗(yàn)中要克服摩擦轉(zhuǎn)矩;此外，有限元仿真結(jié)果僅是電磁噪聲，并沒有把電機(jī)產(chǎn)生的軸承、基座等機(jī)械噪聲計(jì)算在內(nèi)，而試驗(yàn)測得的噪聲是電機(jī)的所有可能的噪聲。因此，從電磁噪聲方面來說，有限元法預(yù)測的值與實(shí)際電機(jī)電磁噪聲的值基本一致。故本文提出的基于有限元法的電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲的評(píng)估方法有效可行。

4 結(jié)語

本文基于有限元法和模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行車用永磁同步電機(jī)的振動(dòng)噪聲研究，以一臺(tái)樣機(jī)為例進(jìn)行分析驗(yàn)證，得出結(jié)論如下:

(1)提出了一種預(yù)估電機(jī)振動(dòng)噪聲特性的方法。樣機(jī)仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的方法的可行性。

(2)有限元仿真表明電機(jī)結(jié)構(gòu)阻尼對(duì)電機(jī)噪聲影響較大，電機(jī)設(shè)計(jì)中增加電機(jī)結(jié)構(gòu)阻尼可減小電機(jī)振動(dòng)噪聲。

(3)為抑制電機(jī)的電磁噪聲，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使電機(jī)各次電磁力波的頻率遠(yuǎn)離電機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)固有頻率，避免在電機(jī)工作轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生電磁共振。

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