電動(dòng)汽車(chē)永磁電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原因分析

李自強(qiáng) 張鳳營(yíng) 馮麗佳

(1.唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063000；2.唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司，河北 唐山 063000)

1 電動(dòng)汽車(chē)永磁電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的分類(lèi)

永磁電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)主要體現(xiàn)在空氣動(dòng)力不足、機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)3個(gè)方向，其中空氣動(dòng)力產(chǎn)生振動(dòng)主要是降溫風(fēng)扇的作用或者電機(jī)自身轉(zhuǎn)速不高的情況下產(chǎn)生，其對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生造成的影響不大；轉(zhuǎn)子自身偏心、軸承對(duì)中性差和電刷的安裝不對(duì)中等安裝過(guò)程產(chǎn)生的電機(jī)振動(dòng)稱(chēng)為機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)主要可通過(guò)提高轉(zhuǎn)子的加工精度，改善軸承和轉(zhuǎn)子安裝工藝水平進(jìn)行預(yù)防和調(diào)節(jié)；電動(dòng)汽車(chē)永磁電機(jī)振動(dòng)主要來(lái)源是電磁振動(dòng)，其產(chǎn)生原因是電機(jī)定轉(zhuǎn)子間的電磁力作用產(chǎn)生，電機(jī)的電磁力不僅可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力矩，同時(shí)能夠引起定子和轉(zhuǎn)子變形，產(chǎn)生的振動(dòng)影響力很大，會(huì)破壞電機(jī)的正常運(yùn)行，甚至產(chǎn)生較大破壞力，對(duì)周?chē)h(huán)境造成嚴(yán)重的威脅[1]。

2 電磁力產(chǎn)生振動(dòng)的原因

電動(dòng)汽車(chē)永磁電機(jī)電磁力的產(chǎn)生由永磁體的磁場(chǎng)對(duì)定子鐵芯和轉(zhuǎn)子的作用，電機(jī)的電磁力主要受永磁體磁性、電樞繞組及氣隙磁密等影響，永磁體、電樞繞組以及電樞繞組和永磁體之間產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生多頻和多維空間的電磁力諧波[2，3]。徑向不平衡電磁力、磁阻和互感轉(zhuǎn)矩與齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是電動(dòng)汽車(chē)永磁電機(jī)電磁振動(dòng)主要影響因素。文獻(xiàn)[4，5]對(duì)永磁電機(jī)徑向不平衡電磁力產(chǎn)生電磁振動(dòng)進(jìn)行了研究分析，建立了振動(dòng)方程進(jìn)行解析解分析和數(shù)值計(jì)算分析，分析電磁參數(shù)對(duì)永磁電機(jī)振動(dòng)的影響，其中文獻(xiàn)[5]分析了3次超諧振動(dòng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的影響。磁阻和互感轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻率和齒槽轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)對(duì)永磁電機(jī)的不平衡電磁力也有較大的影響，文獻(xiàn)[6]通過(guò)分別對(duì)內(nèi)嵌式和表面貼式的極槽永磁電機(jī)進(jìn)行研究，得出磁阻和互感轉(zhuǎn)矩與齒槽轉(zhuǎn)矩的解析方程，分析了兩種方式電機(jī)振動(dòng)的情況。電機(jī)的電流諧波對(duì)其電磁力的產(chǎn)生起絕對(duì)性的作用，因此永磁電機(jī)的電磁力和電機(jī)極數(shù)與齒槽的配合有著直接的關(guān)系，當(dāng)極數(shù)和齒槽出現(xiàn)誤差時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生較大的不平衡力。此外在電機(jī)的控制時(shí)，由于操作不當(dāng)或者電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)不合理也會(huì)對(duì)電磁力有影響引起電機(jī)的振動(dòng)。

3 永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子在電磁力作用下的振動(dòng)分析

永磁電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子在電磁力作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，其中定子的振動(dòng)模型多為將定子理想為環(huán)型或殼型結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算或者有限元分析電磁力對(duì)定子系統(tǒng)的振動(dòng)特性，文獻(xiàn)[7，8]分別是將定子看作環(huán)型結(jié)構(gòu)和殼型結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析非線(xiàn)性的解析法對(duì)電磁力作用下的定子系統(tǒng)進(jìn)行解析，并分析電磁參數(shù)(勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電感等參數(shù))及定子結(jié)構(gòu)參數(shù)(定子鐵芯長(zhǎng)度、材質(zhì)等參數(shù))對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)影響。定子的振動(dòng)往往是一個(gè)機(jī)電耦合系統(tǒng)，其作用的存在是相互影響和制約的。在電機(jī)定子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)，充分考慮影響其振動(dòng)的影響因素，避免定子的振動(dòng)引起電機(jī)的振動(dòng)。

在對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在電磁力作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)分析時(shí)，專(zhuān)家學(xué)者通常將轉(zhuǎn)子看作絕對(duì)剛性的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)該模型進(jìn)行建模分析電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)影響，文獻(xiàn)[5]建立多頻激勵(lì)作用下的電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)方程，利用平均法對(duì)振動(dòng)方程進(jìn)行解析，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)、電磁參數(shù)對(duì)系統(tǒng)共振的影響。文獻(xiàn)[9]針對(duì)文獻(xiàn)[5]所建立的多頻激勵(lì)作用的電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線(xiàn)性振動(dòng)方程，分析系統(tǒng)在3次超諧激勵(lì)作用下的振動(dòng)情況，通過(guò)對(duì)比分析：電磁力的影響對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)影響較大，其中氣隙磁密改變對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)共振區(qū)間影響不大，但隨著氣隙磁密的增加，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值會(huì)降低；分析3次超諧共振時(shí)定子的鐵芯和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)幅值影響較大，電磁參數(shù)影響較小；在主共振系統(tǒng)分析時(shí)，其結(jié)論和3次超諧共振大致相同。電磁力作用下電動(dòng)汽車(chē)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究多是通過(guò)數(shù)值分析得到近似解進(jìn)行數(shù)值分析，得到結(jié)論多是和電磁參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)影響。因此，電磁力對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的共振影響和氣隙磁密有著重要關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)的永磁電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生主要來(lái)源于空氣動(dòng)力不足、機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)3個(gè)方向，著重分析永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子在電磁力作用下的振動(dòng)情況，電磁力的產(chǎn)生是永磁電機(jī)振動(dòng)的主要原因，電動(dòng)汽車(chē)永磁電機(jī)電磁力的產(chǎn)生由永磁體的磁場(chǎng)對(duì)定子鐵芯和轉(zhuǎn)子的作用，電機(jī)的電磁力主要受永磁體磁性、電樞繞組及氣隙磁密等影響，永磁體、電樞繞組以及電樞繞組和永磁體之間產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生多頻和多維空間的電磁力諧波。電機(jī)振動(dòng)的有效防御可以提高電動(dòng)汽車(chē)的安全性能，對(duì)永磁電機(jī)振動(dòng)的研究結(jié)果在電機(jī)的設(shè)計(jì)、加工制造及裝配方面有重要的指導(dǎo)意義。