燃料電池空壓機用永磁電機降振優(yōu)化設計

王德猛,尹紅彬,張 軍,于新龍,張學義

(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院,淄博 255049; 2.山東唐駿歐鈴汽車制造有限公司,淄博 255049)

0 引 言

作為燃料電池空壓機內的核心部件,高速電機受到廣泛的關注?？諌簷C用電機主要有兩種類型,一種是電勵磁電機,另一種是永磁電機。較傳統(tǒng)的電勵磁電機而言,永磁電機內部器件數量減少,從而增加了內部的空間利用率,且其無勵磁電阻損耗,效率更高,運行更加穩(wěn)定[1]。隨著新材料的開發(fā)與應用,與新材料緊密相關的永磁電機也廣泛應用到新興領域中,得到了進一步的發(fā)展。在保證其高功率密度和寬調速范圍的同時,要降低電機的振動噪聲,燃料電池空壓機用永磁電機的振動噪聲優(yōu)化問題成為了近年來工程領域研究的熱點。

電機振動有多種類別,如電磁振動、機械振動、空氣動力學振動等[2],其中,電磁振動所占比例較大[3]。電磁噪聲由電源控制單元的PWM諧波引起,或者是由電機的過度電磁諧波引起[4]?？諝庠肼暿怯娠L扇、轉子和氣流效應產生的,氣流效應是由沿風向移動時的氣流產生的。當電機轉速較高時,空氣噪聲起主導作用[5]。機械噪聲主要是由移動的轉子、軸承、電機的電刷、滑環(huán)或換向器摩擦引起的。實驗表明,電機噪聲中,氣動噪聲占57.5%,轉子和軸承引起的機械噪聲占27.7%,電磁噪聲占14.8%[6]。研究發(fā)現,電磁噪聲的強度主要由負載決定,而機械噪聲和空氣動力噪聲則取決于電機的速度[7]。

近年來,許多研究學者對永磁同步電機(以下簡稱PMSM)、開關磁阻電機、感應電動機、混合勵磁電機的振動和噪聲進行了研究。振動和噪聲的研究涉及電磁、結構、力學、聲場等多個方面。通過電磁力和模態(tài)分析,闡述了PMSM中振動和噪聲的運行機理[8]。

文獻[9]運用有限元仿真,對于電機的0階主要電磁激振力波,通過結構參數分析了對電機空載氣隙磁場的影響,且采用了調整定子槽口寬度和偏心氣隙的兩種方法,實現了電機振動噪聲的抑制。文獻[10]構建有限元模型,運用Workbench分析電機外殼的振型和固有頻率,建立三種不同參數和因素的模型,綜合考慮結構參數對電機進行優(yōu)化。文獻[11]對原始瞬態(tài)磁場進行仿真分析,對電機磁密進行諧波分析,結合多目標優(yōu)化算法,建立聲場模型對噪聲瀑布圖進行對比。文獻[12]應用麥克斯韋張量和磁勢乘磁導法,通過注入電流諧波,構建了描述0階徑向電磁力波的解析表達式,進一步深入探究了該現象的機理。

本文以一臺功率為20 kW的車用燃料空壓機用永磁電機為研究對象,首先分析這臺電機的結構,并根據它的主要參數建立一個二維模型,接著對電磁特性進行分析,并提出優(yōu)化方案,最后,對這臺電機的性能進行評估。

1 PMSM結構

燃料電池空壓機用PMSM二維截面示意圖如圖1所示。該電機為一臺24槽4極整數槽單層短距分布繞組PMSM,其主要參數如表1所示。

表1 PMSM主要參數

圖1 PMSM二維模型

在對電機進行負載工況的磁場分析時,把轉速設置為額定轉速58 000 r/min。對電機的三相定子繞組添加激勵源,且電機三相繞組為Y型連接。設定電機相關部件的材料屬性,增加瞬態(tài)場求解器進行計算,能夠看到負載工況下的性能狀況,進而判斷出電機設計是否合理。

2 PMSM電磁特性分析

2.1 電機磁場分析

搭建電機二維有限元解析模型,模擬電機額定工況下的運行過程。采用對稱三相電壓源來模擬電機的起動響應。圖2(a)顯示了電機的磁密分布云圖,定子齒部的磁密為1.49 T,定子軛部的磁密為1.37 T。通過傳熱學分析,我們發(fā)現,當電機處于額定工況時,它能夠滿足散熱需求。圖2(b)為某時刻下的電機磁力線分布圖,電機磁力線分布均勻。

2.2 電機徑向電磁力分析

電機定子齒部承受徑向電磁力的影響,這種影響可能會導致電機產生電磁振動噪聲[13]。在深入探討這種影響前,需要通過麥克斯韋張量法來精確計算徑向電磁力,并將其轉化成可以被實際應用的數值。我們確定定子鐵心結構承受的徑向電磁力的密度,并將其表示[14]:

(1)

式中:fr為電磁力徑向分量;Br為氣隙磁密徑向分量;Bt為氣隙磁密切向分量;μ0為真空磁導率,μ0=4π×10-7H/m。

在磁導率上,空氣遠遠小于鐵磁材料。當磁場穿過定轉子鐵心時,磁場會與其表面呈現出一種垂直的關系。在這種情況下,徑向氣隙磁密度遠大于切向氣隙磁密度,因此可以忽略切向磁密度。在結構上,定子鐵心徑向電磁力近似:

(2)

在電機定轉子間組成的氣隙處,磁通密度主要包括兩種:一種是永磁磁動勢產生的轉子磁密BRδ,另一種是電樞反應產生的定子磁密BSδ,因此式(2)可表示[14]:

(3)

BRδ=FRλδ

(4)

BSδ=FSλδ

(5)

式中:FR為永磁體磁場產生的氣隙磁動勢;FS為定子電樞反應磁動勢;λδ為等效氣隙磁導。

FR和FS可按下式計算[15]:

(6)

(7)

把式(4)～式(7)代入式(2)中,得出定子齒部受到的徑向電磁力計算表達式。用該表達式計算求解徑向電磁力波的空間階數,分別是(νR±νS)p、(νR±νS)p±Z、(νR±νS)p±2Z、頻率為(νR±1)f1,其中f1為電機基波電頻率[16]。

相對于階次較高的徑向電磁力所引起的較小噪聲,階次較低的電磁力所引起的噪聲較大。本文根據此規(guī)律,將24槽4極電機的相關數據參數代入到式(2)中,得出空間階次和頻率倍數,如表2所示。

表2 PMSM徑向電磁力的空間階次與頻率倍數

PMSM的電磁振動噪聲往往與其電磁場有關,其中重要的就是徑向電磁力。通過調整電機的磁場分配和電機的電磁磁路優(yōu)化來減小振動噪聲,就能夠有效地抑制電機的振動和噪聲。

3 電機降振優(yōu)化設計方案

減小作用在電機定子齒部的徑向電磁力,能夠降低電機振動幅值。根據電機振動噪聲出現的原理,給出基于隔磁磁橋間距d改善修型設計方法,將電機原模型中的隔磁磁橋間距增加,在優(yōu)化過程中同時改變隔磁磁橋長度。

圖3為在不同隔磁磁橋間距下所得到的電機徑向氣隙磁密幅值。由圖3可知,隔磁磁橋間距d逐漸增大,徑向氣隙磁密幅值隨之降低。其原因是偏移距離增加后的隔磁磁橋,磁路有效長度變長,磁阻提升,等效氣隙磁導λδ變小,進而使得徑向氣隙磁密減小。

圖3 隔磁磁橋間距與徑向氣隙磁密幅值關系

在優(yōu)化轉子隔磁磁橋的同時,還需要考慮電機的電磁性能。圖4為隔磁磁橋間距d值與漏磁系數δ的關系圖。可以看出,當偏移距離在4.6 mm之前時,電機漏磁系數上升程度較小,在4.6 mm之后,漏磁系數出現明顯上升。通過觀察對比,最終確定4.6 mm為隔磁磁橋間距設計值,并以圖5的形式展示了經過優(yōu)化的電機轉子結構。

圖4 隔磁磁橋間距與漏磁系數關系

圖5 電機轉子優(yōu)化方案

圖6 電機優(yōu)化前后徑向電磁力波形

4 優(yōu)化后電機性能計算

4.1 電機電磁計算分析

針對優(yōu)化前后的電機方案分別進行電磁有限元仿真求解。取氣隙中間一處作為磁場觀測點,求解電機負載工況下的徑向電磁力,得到的仿真結果如圖 6所示。由波形圖優(yōu)化前后對比發(fā)現,徑向電磁力密度的幅值有所下降。

圖7與圖8給出了電機輸出轉矩與齒槽轉矩的波形。由圖7、圖8可知,優(yōu)化后的輸出轉矩略有下降,但仍可滿足電機輸出性能要求。同時,優(yōu)化后的電機轉矩脈動與齒槽轉矩性能有所改善。

圖7 電機優(yōu)化前后的輸出轉矩波形

圖8 電機優(yōu)化前后的齒槽轉矩波形

4.2 電機模態(tài)分析

在電機運轉時,作用于定子齒部的外施電磁力頻率與固有頻率接近或相等時,將發(fā)生共振[17]。若共振時電機繼續(xù)運轉,就可能造成嚴重的損失,影響電機的正常使用和壽命。特別是對于電動汽車,出現這種情況,就可能導致嚴重的安全問題。采用模態(tài)分析,可以更加精確地測量出電機的固有頻率,從而防止出現共振的問題。目前,解析法和有限元法是模態(tài)分析的兩種主要手段,有限元法現已逐漸替代計算復雜性和不準確性的解析法[18]。本文對電機的定子模態(tài)進行求解采用的是有限元分析方法,通過計算得到的電機定子各階模態(tài)振型及固有頻率如圖9所示。

圖9 電機定子模態(tài)振型圖

由前面的分析可知,定子齒部所受徑向電磁力主要是偶數倍基頻分量。通過模態(tài)分析求解得出定子模型固有頻率。對比發(fā)現,計算出的徑向電磁力主要諧波頻率值與定子固有頻率值有較大的差距,這表明該電機不會出現共振問題,而且設計也較為合理。

4.3 電機振動分析

通過構建電機有限元振動諧響應三維模型,先將有限元瞬態(tài)場中的徑向電磁力求解完成后,再傳遞到結構場,在定子齒部加入振動激勵源,最后將電磁場與結構場耦合仿真。通過對法蘭盤的螺栓孔進行約束,計算出當額定轉速58 000 r/min時,電機殼體外表面上的某一監(jiān)測點振動速度幅頻特性曲線,如圖10所示。

由圖10可知,觀測點的振動速度在偶數倍基頻等處幅值較為明顯。由表2可知,同這些頻率點所對應的徑向電磁力分量幅值都較高,使得振動速度幅值隨之變大。振動速度幅值經優(yōu)化后整體下降,偶數倍基頻時下降更為明顯。

通過應用隔磁磁橋修形方法,我們可以對電機結構進行優(yōu)化,從而顯著降低其徑向氣隙磁密度,還能保證電機的電磁性能,表明了該優(yōu)化方法的準確性與實用性。

5 結 語

本文旨在探討一種新型的降振優(yōu)化方法,采用了一種基于隔磁磁橋修形的技術,可以有效改善功率20 kW燃料電池空壓機用內置徑向式PMSM的結構參數,從而減少徑向電磁力,同時能夠有效地降低齒槽轉矩,并且保證其輸出性能的合理性,從而達到良好的降振效果,為車用PMSM的優(yōu)化設計、振動噪聲的降低提供了工程參考。