基于ansoft的汽車起動機電磁噪聲分析

張相坤，王天利，郜琪，楊 亮，張宏雙，杜志多

（1.遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001；2.錦州漢拿電機有限公司，遼寧 錦州 121013）

基于ansoft的汽車起動機電磁噪聲分析

張相坤1，王天利1，郜琪2，楊 亮2，張宏雙1，杜志多2

（1.遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001；2.錦州漢拿電機有限公司，遼寧 錦州 121013）

基于maxwell二維瞬態磁場理論，運用ansoft算出永磁直流起動機空載、減速過程中的齒槽轉矩與氣隙磁密，并作傅立葉分析，可以發現仿真出的結果與起動機噪聲實驗結果關系密切，并且齒槽轉矩、氣隙磁密幅值不隨轉速變化，并且電機旋轉一周的齒槽轉矩周期應為極數與轉子槽數的乘積，所得出的結果即為電機噪聲診斷提供了新的途徑，也為確定與電磁噪聲有關的主要參數及減小電機的電磁噪聲提供理論依據。

汽車；起動機；電磁噪聲；ansoft

CLC NO.:U464.337+.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-42-04

前言

起動機是將蓄電池提供的電能轉換成機械能，通過起動機的齒輪與發動機飛輪齒環嚙合，從而帶動發動機工作，所以起動機的性能是衡量汽車性能的重要指標。起動機的噪聲主要包括電磁噪聲/機械噪聲和空氣噪聲，其中電磁噪聲逐漸成為起動機的主要噪聲，而電磁噪聲主要來源于起動機電機[1，2]。

起動機斷電后的電磁噪聲主要受電機電磁激振力及起動機機構響應的影響，而電磁激振力的來源

主要有三種：1）定轉子諧波磁場相互作用產生的隨時間和空間變化的徑向電磁力，而徑向電磁力受氣隙磁密的影響。2）轉子開槽和電流紋波導致的轉矩脈動。3）轉子相對于定子偏心產生的不平衡磁拉力。本文主要是從前兩個方面考慮起動機的電磁噪聲。電機電磁的計算方法雖然有許多，但存在計算精度低/過于理想化等問題[3]。

本文采用ansoft軟件中的2D設計模塊，對6極29槽的永磁減速直流起動機進行了結構設計，由于噪聲實驗測得的是斷電后的噪聲，所以主要仿真在轉速不同的情況下的起動機永磁直流電機的磁密分布圖、齒槽轉矩曲線、氣隙磁密曲線，并運用matlab對氣隙磁密進行后處理，得到氣隙磁密的頻域圖[4]。

1、基于ansoft的PMDC有限元分析

1.1 電機二維有限元模型的建立

表1 永磁直流起動機的主要技術參數及尺寸Tab.1 Main technical parameters and dimension of the PM starter

本文根據二位瞬態磁場理論，建立永磁直流電機的有限元瞬態模型，在模型的建立的過程中忽略對仿真結果影響不大的倒角及機殼上的通氣孔，并不考慮斷電后產生的感應電流對脈動轉矩的影響，即認為斷電后的永磁直流電機的齒槽轉矩即為脈動轉矩。仿真對象為錦州漢拿電機有限公司的QDY 1213型起動機其參數如表1。

圖1為永磁直流起動機中電機的模型圖，其永磁體與轉子間的間隙并非均勻的，其氣隙間距由磁極中央向兩邊緣逐漸增大，使氣隙磁通密度在間斷位置逐漸減小，從而能降低脈動磁力。

1.2 網格的劃分

網格的剖分是有限元求解的基礎，剖分的質量直接決定了有限元的計算精度。在ansoft中有三種剖分方法，根據仿真對象模型選用Inside Selection。Ansoft網格的一項突出的功能就是滑動氣隙邊界發來處理電機定轉子之間的相對運動，即在氣隙中設置一條運動氣隙邊界，將氣隙由內到外分成兩部分，并沿圓周方向均勻剖分氣隙邊界，邊界層的節點具有雙重編號，氣隙邊界以內為轉動部分，以外為靜止部分，并且邊界設置的越多計算精度越大[5]。由于本次研究對象為6極29槽起動機，所以對網格劃分的要求比較高，畫三條邊界線，并使其網格尺寸劃分相對精細，如圖2所示。

2、電機特性分析

2.1 ansoft仿真分析

由于在噪聲實驗室是空載運行，所以電機的仿真也是進行空載分析，在磁場分析中，每個被分析的問題至少存在一種激勵源，永磁直流電機中有永磁體和繞組電流源兩種激勵。永磁體激勵在材料設

置時已經完成，由于空載分析，所以繞組電流激勵設置為0A。分別仿真轉速在3000rpm、6000rpm、12000rpm、15000rpm時的工作狀況。由于數據量太大，以下只列出轉速在6000rpm時的磁力線與磁通密度云圖等運行結果。根據磁通密度云圖和磁力線分布圖可以直觀的了解永磁直流電機內部磁場的分布，以及電機二維磁場的飽和情況，對電機電磁力的求解和優化電機結構，減小電機振動具有重要意義。

圖5所示為永磁直流電機空載時的齒槽轉矩[6]。從圖中可以發現轉子轉一周的齒槽轉矩周期數為電機極數與轉子槽數的乘積；圖6為特定轉速下的齒槽轉矩的傅里葉變換圖[7]，從傅里葉變換圖中可以發現1200Hz、5400Hz、17400Hz的幅值比較大；根據階次與轉速、頻率之間的關系，可以得到12階、54階、174階的幅值比較大，其中174階的幅值最大，而174為轉子槽數與極數的乘積，所以可以認為齒槽轉矩在旋轉過程中產生的噪聲頻率為17400Hz，階次為174階。圖7為對幾種轉速的傅里葉變換比較圖，從圖中可以發現齒槽轉矩的階次并不隨轉速的變化而有所改變。

圖8為轉速6000rpm時的空載氣隙磁密曲線,

橫坐標為弧長，縱坐標為氣隙磁密，仿真對象為3對極電機，由于齒槽效應的存在，空載時的氣隙磁密波形并非理想的梯形，這也是導致電機存在脈動轉矩的原因；圖9為通過matlab對幾種轉速下氣隙磁密做的傅里葉分解，可以得到各轉速下氣隙磁密基波及諧波隨轉速的變化，從圖中可知氣隙磁密在電機工作過程中的主要階次為29階、58階、87階、116階，其中29階的幅值最大。

2.2 實驗結果

圖10為測得的數據為4刷29槽起動機整體的階次譜圖，橫坐標為頻率，縱坐標為階次，顏色的明亮代表聲壓級的大小，從圖中可以看出比較明的階次為142.1階及其整數倍，由于測得的數據為起動機整體的噪聲，起動機的減速比為4.9，所以對于電機主要階次為29階及其整數倍，與起動機電機的齒槽轉矩的階次和氣隙磁密的階次一致。所以電機實驗所得的的噪聲與通過ansoft有限元分析得到的結果相一致，并且精度較高。

3、結論

本文探討了漢拿電機公司的QDY1213永磁直流起動機的電磁噪聲，采用時步有限元法對電機的空載減速過程進行了仿真研究，得出了電機的氣隙磁密及齒槽轉矩，并用matlab對其進行傅里葉變換，可以發現永磁直流電磁噪聲的大小與電機的轉子槽數密切相關；電磁噪聲的階次與齒槽轉矩及氣隙磁密的階次相似。所ansoft的應用能夠在保證計算精度的前提下，減少計算量，并使電磁噪聲的計算流程化，對消弱電磁噪聲具有極大的參考價值。

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[7] 魏先林，付求涯.基于MATLAB解析計算無刷直流電動機的齒槽轉矩[J].微特電機，2005，7：15～17．

The Analysis of Electromagnetic noise of automotive starter based on ansoft

Zhang Xiangkun1, Wang Tianli1, Gao Qi2, Yang Liang2, Zhang Hongshuang1, Du Zhiduo2

（1.Liaoning University of Technology，Liaoning Jinzhou 121001；
2.JinzhouHalla ElectricalCo., Ltd., Liaoning Jinzhou 121013）

Based on the maxwell’s theory of two-dimensional tansient magnetic field, the article uses the ansoft to calculate the cogging torque and air gap magnetic flux density of the PM starter in the process of idle and deceleration, then goes on the Fourier analysis. It is demonstrated that there are close relationships between simulation results and experimental results of starter noise.Otherwise，the cogging torque and air gap magnetic flux density is not change with speed，and a number of The cogging torque cycles is the product of mangent number and rotor slot number.Those solutions not only provide a new way to test the noise of motor,but also provide a theory for determining the main parameters related to electromagnetic noise and reducing electromagnetic noise of the motor.

Car; Starter; Noise; Ansoft

U464.337+.1

A

1671-7988(2014)02-42-04

張相坤，工作單位：遼寧工業大學。