電動汽車永磁電機產生振動的原因分析

李自強 張鳳營 馮麗佳

(1.唐山職業技術學院，河北 唐山 063000；2.唐山松下產業機器有限公司，河北 唐山 063000)

1 電動汽車永磁電機產生振動的分類

永磁電機產生振動主要體現在空氣動力不足、機械振動和電磁振動3個方向，其中空氣動力產生振動主要是降溫風扇的作用或者電機自身轉速不高的情況下產生，其對電動汽車的電機振動產生造成的影響不大；轉子自身偏心、軸承對中性差和電刷的安裝不對中等安裝過程產生的電機振動稱為機械振動，機械振動主要可通過提高轉子的加工精度，改善軸承和轉子安裝工藝水平進行預防和調節；電動汽車永磁電機振動主要來源是電磁振動，其產生原因是電機定轉子間的電磁力作用產生，電機的電磁力不僅可以產生旋轉的力矩，同時能夠引起定子和轉子變形，產生的振動影響力很大，會破壞電機的正常運行，甚至產生較大破壞力，對周圍環境造成嚴重的威脅[1]。

2 電磁力產生振動的原因

電動汽車永磁電機電磁力的產生由永磁體的磁場對定子鐵芯和轉子的作用，電機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生的氣隙磁場相互作用產生多頻和多維空間的電磁力諧波[2，3]。徑向不平衡電磁力、磁阻和互感轉矩與齒槽轉矩波動是電動汽車永磁電機電磁振動主要影響因素。文獻[4，5]對永磁電機徑向不平衡電磁力產生電磁振動進行了研究分析，建立了振動方程進行解析解分析和數值計算分析，分析電磁參數對永磁電機振動的影響，其中文獻[5]分析了3次超諧振動對電機轉子的影響。磁阻和互感轉矩波動頻率和齒槽轉矩的波動對永磁電機的不平衡電磁力也有較大的影響，文獻[6]通過分別對內嵌式和表面貼式的極槽永磁電機進行研究，得出磁阻和互感轉矩與齒槽轉矩的解析方程，分析了兩種方式電機振動的情況。電機的電流諧波對其電磁力的產生起絕對性的作用，因此永磁電機的電磁力和電機極數與齒槽的配合有著直接的關系，當極數和齒槽出現誤差時，電機轉子會產生較大的不平衡力。此外在電機的控制時，由于操作不當或者電機控制電路設計不合理也會對電磁力有影響引起電機的振動。

3 永磁電機定轉子在電磁力作用下的振動分析

永磁電機的定子、轉子在電磁力作用下會產生振動，其中定子的振動模型多為將定子理想為環型或殼型結構，通過數值計算或者有限元分析電磁力對定子系統的振動特性，文獻[7，8]分別是將定子看作環型結構和殼型結構，通過分析非線性的解析法對電磁力作用下的定子系統進行解析，并分析電磁參數(勵磁電壓、勵磁電流、勵磁電感等參數)及定子結構參數(定子鐵芯長度、材質等參數)對系統的振動影響。定子的振動往往是一個機電耦合系統，其作用的存在是相互影響和制約的。在電機定子系統的設計和調試時，充分考慮影響其振動的影響因素，避免定子的振動引起電機的振動。

在對永磁電機轉子系統在電磁力作用下會產生振動分析時，專家學者通常將轉子看作絕對剛性的簡支梁結構，通過對該模型進行建模分析電磁力對轉子系統的振動影響，文獻[5]建立多頻激勵作用下的電機轉子系統的振動方程，利用平均法對振動方程進行解析，并通過數值計算分析轉子結構參數、電磁參數對系統共振的影響。文獻[9]針對文獻[5]所建立的多頻激勵作用的電機轉子系統的非線性振動方程，分析系統在3次超諧激勵作用下的振動情況，通過對比分析：電磁力的影響對轉子系統的振動影響較大，其中氣隙磁密改變對電機轉子系統共振區間影響不大，但隨著氣隙磁密的增加，轉子的振動幅值會降低；分析3次超諧共振時定子的鐵芯和轉子的結構尺寸對轉子系統振動幅值影響較大，電磁參數影響較小；在主共振系統分析時，其結論和3次超諧共振大致相同。電磁力作用下電動汽車永磁電機轉子系統的研究多是通過數值分析得到近似解進行數值分析，得到結論多是和電磁參數對轉子系統的振動影響。因此，電磁力對永磁電機轉子系統的共振影響和氣隙磁密有著重要關聯。

4 結語

電動汽車的永磁電機振動產生主要來源于空氣動力不足、機械振動和電磁振動3個方向，著重分析永磁電機定轉子在電磁力作用下的振動情況，電磁力的產生是永磁電機振動的主要原因，電動汽車永磁電機電磁力的產生由永磁體的磁場對定子鐵芯和轉子的作用，電機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生的氣隙磁場相互作用產生多頻和多維空間的電磁力諧波。電機振動的有效防御可以提高電動汽車的安全性能，對永磁電機振動的研究結果在電機的設計、加工制造及裝配方面有重要的指導意義。