城軌車輛永磁電機振動噪聲測試及特性分析

丁 杰，尹 亮

(湖南文理學院 機械工程學院，常德 415000)

0 引 言

永磁電機具有結構簡單、體積小、質量輕、損耗低和效率高等優點，已在城軌車輛中得到應用[1]。永磁電機在運行過程中存在因定子內表面電磁力、轉子偏心及電流諧波等因素導致的電磁噪聲，因葉片旋轉導致的氣動噪聲，以及因轉子轉動不平衡、軸承等因素造成的機械噪聲[2]。噪聲會對人體的神經系統、心血管系統和聽覺系統等產生一定的影響，因此，永磁電機的噪聲問題得到了人們的高度關注。

國內外學者從理論分析、仿真計算和實驗測試等方面對電機噪聲開展了大量研究。Gieras J F等[3]針對多相電機的噪聲問題進行了系統研究。李曉華等[4-5]通過分析電磁力波特征參數和諧波來源，查找出電動汽車內置式永磁同步電機的主要振動噪聲源，建立逆變器電流-電磁場-結構場的聯合仿真模型，探討了不同工況電流諧波對電機振動噪聲特性的影響。付敏等[6]應用有限元法和傅里葉分解，得出電機的振動噪聲問題主要由階次力波及諧波分量引起。王曉遠等[7]通過對電動汽車永磁同步電機進行的電磁場、模態、振動響應和電磁噪聲仿真分析，提出了一種降噪效果較明顯的轉子優化結構。Tsoumas I P等[8]指出，逆變器輸出電流受脈寬調制的影響，包含開關頻率的倍頻及其邊頻帶的諧波，由此導致的電機窄帶噪聲會使人感到不適。Kurihara N等[9]提出了減小諧波降低電機噪聲的方法。馮勤龍等[10]通過定子鐵心的模態分析，確定某乘用車驅動電機徑向電磁力是產生低速嘯叫問題的主要原因。

本文針對某城軌車輛永磁電機開展不同工況的振動噪聲測試及特性分析，獲得永磁電機氣動噪聲、電磁噪聲隨轉速變化的規律以及永磁電機噪聲與振動的關系，為提高永磁電機的噪聲水平提供指導。

1 永磁電機的電磁力波理論分析

采用逆變器驅動的永磁電機，其定子電流是包含諧波的非正弦電流，用傅里葉級數表示：

(1)

式中:n為時間諧波次數，n=2m1k±1，m1為相數，k=0,1,2,3,…；I1mn為n次諧波電流峰值；ωn為n次時間諧波電流的角頻率；φi為n次時間諧波電流的相位角。

n次時間諧波引起的定子、轉子磁通密度空間-時間變化關系：

(2)

(3)

式中:ν和μ分別為定子和轉子空間諧波次數；Bmνn和Bmμn分別為定子和轉子磁通密度諧波幅值；p為電機極對數；α為距離坐標系原點的角度；ωn=2πnf為定子繞組時間諧波電流角頻率，f為基波頻率；ωμ,n為n次時間諧波對應的轉子系統μ次空間諧波角頻率；φμ,n為n次時間諧波對應定子、轉子空間諧波向量之間的角度差。

由麥克斯韋應力張量，可得定子、轉子的同次諧波電磁徑向力：

(4)

(5)

式中:μ0為自由空間的磁導率。

定子、轉子諧波相互作用的電磁徑向力：

(ωn-ωμ,n)t-φμ,n]+cos[(ν+μ)pα?

(ωn+ωμ,n)t+φμ,n]}

(6)

逆變器的開關頻率與高次時間諧波相互作用，將產生較大的電磁力。轉子偏心會導致電機氣隙脈動，從而引起磁通密度波動，產生單側磁拉力。

2 永磁電機的測點布置及測試工況

某城軌車輛風冷永磁電機的額定功率為190 kW、極對數為4、轉速范圍為0～3 000 r/min、額定轉速為1 900 r/min。城軌車輛上線運行后，現場反饋永磁電機的噪聲過大，可聽到明顯的電磁嘯叫聲。為獲得永磁電機的噪聲特性，利用B&K振動噪聲測試系統在半消室開展永磁電機的噪聲與振動測試。

噪聲測試采用五點法，測點1～測點5分別布置在永磁電機的傳動軸端(出風口)、右側、后端(進風口)、左側和頂部，距離被測表面1 m處，分析頻率取25.6 kHz。振動測試采用7個三向加速度傳感器，分別布置在永磁電機的軸承座、傳動軸端上部、后端上部、右側面上部、左側面上部、右側面下部和左側面下部，全程檢測各測試工況下的電機振動狀態。其中，振動測點的縱向、垂向和橫向分別定義為平行于電機軸、垂直于地面和垂直于電機軸且平行于地面。測試現場及噪聲測點布置如圖1所示。

圖1 測試現場及噪聲測點布置

永磁電機的測試工況有4種。測試工況1：順時針轉向，每級間隔200 r/min，逐級加速至3 000 r/min；測試工況2：逆時針轉向，每級間隔200 r/min，逐級加速至3 000 r/min；測試工況3：順時針轉向，連續加速至3 000 r/min后斷電減速；測試工況4：逆時針轉向，連續加速至3 000 r/min后斷電減速。

3 永磁電機的噪聲特性分析

3.1 不同測試工況的噪聲值對比

為分析轉向與轉速對永磁電機噪聲值的影響，圖2為測試工況3和測試工況4的各測點噪聲值對比?？梢钥闯觯?1)順時針和逆時針轉向對永磁電機噪聲的影響很小，這與永磁電機通風散熱用的葉片為平直結構有關；(2)對比連續加速與斷電減速工況下的噪聲值，2 000 r/min以上時兩者差異較小，2 000 r/min以下時兩者差異較大，1 000 r/min時兩者差值約為10 dB(A)；(3)額定轉速1 900 r/min時的噪聲值約為80.3 dB(A)，3 000 r/min時的噪聲值為91.3 dB(A)。

圖2 不同測試工況的噪聲值對比

3.2 不同轉速的噪聲值對比

圖3為順時針轉向逐級加速過程測點1在200 r/min、1 000 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min等不同轉速下的噪聲頻譜和1/3倍頻程對比?？梢钥闯觯?1)永磁電機通電會產生電磁噪聲，轉速范圍0～900 r/min的電磁噪聲較小，轉速范圍900～1 200 r/min的電磁噪聲急劇增大，主要噪聲中心頻率為4 000 Hz，轉速范圍1 200～3 000 r/min的電磁噪聲先降低后穩定，電磁噪聲頻率單一，體現為尖銳的叫聲，是影響人主觀感受的主要因素；(2)轉速1 000 r/min時的電磁頻譜峰值突出，1 500 r/min以上時的氣動噪聲增加較快，2 000 r/min以上時主要為氣動噪聲，主要噪聲中心頻率為1 250 Hz，電磁噪聲不再突出；(3)永磁電機的軸上帶有13個葉片，轉速1 000 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min的葉片通過頻率分別為217 Hz、433 Hz和650 Hz，這些特征頻率在圖3(a)的頻譜曲線中均有體現。

圖3 測點1不同轉速時的噪聲頻譜對比

圖4為順時針轉向斷電減速過程測點1的聲壓級時間-頻率色譜圖。隨著時間的增加，永磁電機的轉速在不斷降低，不同頻率點的聲壓級也在下降。由聲壓級時頻色譜圖可以看出，永磁電機在斷電減速過程中，不再有電磁力的作用，永磁電機的噪聲表現出以氣動噪聲為主，噪聲值大小隨轉速逐漸降低，主要中心頻率為1 250 Hz。

圖4 斷電減速過程測點1的聲壓級時頻色譜圖

3.3 永磁電機法蘭對噪聲的影響

圖5為順時針轉向逐級加速時，測點1和測點3在不同轉速下的噪聲值對比。測點1和測點3分別對應永磁電機的出風口和進風口，由圖5可以看出，不同轉速下，進風口噪聲高于出風口噪聲1.1～5.9 dB(A)，其中，1 400 r/min、1 600 r/min和1 800 r/min等轉速的進出風口噪聲差值分別為5.9 dB(A)、4.7 dB(A)和3.6 dB(A)。進出風口噪聲差值較大的原因主要是永磁電機法蘭的阻礙作用造成的。

圖5 不同轉速下測點1和測點3的聲壓級對比

現場測試也發現，永磁電機法蘭端正前方出風口(測點1)的噪聲值受法蘭阻擋影響，噪聲值比附近區域偏小。為進一步分析法蘭對噪聲的影響，測試時在測點1旁邊45°角、距離1 m布置測點6，(如圖6所示)。通過對比分析可知，1 800 r/min、2 400 r/min和3 000 r/min等轉速下測點6的噪聲值分別為80.7 dB(A)、87.9 dB(A)和93.3 dB(A)，超出測點1噪聲值2.8 dB(A)、3.3 dB(A)和3.5 dB(A)，表現出噪聲差值隨轉速增大而增大的趨勢。

圖6 出風口及出風口45°角的噪聲測點

圖7為轉速3 000 r/min時測點1(出風口)、測點3(進風口)和測點6(出風口45°)的噪聲1/3倍頻程。可以看出，測點6的噪聲值比測點1大3 dB(A)左右，當永磁電機轉速高于2 000 r/min后，測點6的噪聲值大于測點3，且以氣動噪聲為主，中心頻率為1 250 Hz。結合噪聲測試標準，應將電機法蘭卸下，建議以出風口45°噪聲值替代出風口噪聲值。

圖7 轉速3 000 r/min時進出風口噪聲1/3倍頻程

4 永磁電機噪聲與振動的關系

4.1 不同測試工況的振動特性

為了分析永磁電機噪聲與振動的關系，圖8給出永磁電機通電加速和斷電減速過程中振動測點1的垂向加速度時頻色譜圖，其他測點及不同振動方向的結果未列出。由圖8(a)可以看出，隨著時間的增加，永磁電機的振動在增大，主要包括階次振動和電磁振動，56階和104階這兩個明顯的階次信號與永磁電機轉速相關，電磁振動表現為開關頻率倍頻(2 000 Hz和4 000 Hz)的諧波成分，還包括120 Hz和1 067 Hz等特征頻率。由圖8(b)可以看出，隨著時間的增加，永磁電機的振動在減小，主要包括階次振動，56階和104階這兩個階次信號明顯，還包括1 067 Hz和3 500 Hz附近的特征頻率。

圖8 通電和斷電過程的永磁電機軸承座垂向振動對比

圖9為振動測點1在通電加速和斷電減速工況不同轉速下各方向的振動加速度有效值對比。分別對比各方向在通電加速和斷電減速的加速度有效值差值大小，可知：(1)轉速高于1 800 r/min時，永磁電機軸承座的縱向振動開始明顯增大，高于垂向和橫向的振動；(2)通電加速和斷電減速工況下，縱向振動的加速度差值在轉速1 200 r/min最大，垂向振動的加速度差值也在轉速1 200 r/min最大，而橫向振動的加速度差值在轉速1 400 r/min最大；(3)轉速范圍0～1 800 r/min時，電磁振動是永磁電機振動的主要組成部分；轉速范圍1 800～3 000 r/min時，主要來源為電機轉動產生的振動。

圖9 振動測點1的加速度有效值對比

4.2 永磁電機的1階振動

圖10是將圖8的時頻色譜圖橫坐標頻率范圍調整為0～200 Hz。由圖10可知，永磁電機存在1階振動，在電機高轉速時相對明顯。電機1階振動主要反映因電機裝配誤差造成的軸承動、靜平衡問題引起的振動。因此，應密切關注永磁電機在長期使用后可能出現的1階振動過大現象。

圖10 永磁電機的1階振動

5 結 論

通過對某城軌車輛永磁電機開展振動噪聲測試及特性分析，得到以下結論：

(1)順時針、逆時針轉動對永磁電機噪聲影響非常小，額定轉速1 900 r/min的噪聲值約為80.3 dB(A)，3 000 r/min時的噪聲值為91.3 dB(A)；

(2)永磁電機斷電減速過程以氣動噪聲為主，噪聲大小隨轉速逐漸降低，主要噪聲中心頻率為1 250 Hz；

(3)永磁電機通電加速過程產生電磁噪聲，轉速范圍0～900 r/min的電磁噪聲較小，轉速范圍900～1 200 r/min的電磁噪聲急劇增大，主要噪聲中心頻率為4 000Hz，轉速范圍1 200～3 000 r/min的電磁噪聲先降低后穩定，2 000 r/min以上的電磁噪聲不再突出，主要以氣動噪聲為主；

(4)轉速范圍0～1 800 r/min以電磁振動為主，轉速范圍1 800～3 200 r/min主要為電機轉動產生的振動，同時，電機存在因裝配誤差產生的1階振動。