駱開(kāi)軍，周 旺，林曦鵬，張 華，湯宏濤，陳海生,2

(1.畢節(jié)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)國(guó)家能源大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)中心，畢節(jié) 551700；2.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190)

0 引 言

電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)與其他工業(yè)用電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境不同，車用電機(jī)安裝在運(yùn)動(dòng)的車體上，因道路路面山地起伏，電動(dòng)車行使過(guò)程中經(jīng)常產(chǎn)生顛簸，車用電機(jī)易受外界環(huán)境影響，電動(dòng)車在運(yùn)行中需確保其電機(jī)能抵抗外界影響，可靠性高。效率高、功率因數(shù)高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行可靠、損耗小等是永磁同步電機(jī)所具有的優(yōu)點(diǎn)，因此永磁同步電機(jī)成為電動(dòng)車動(dòng)力源的首要選擇。而電機(jī)振動(dòng)噪聲是影響電動(dòng)車行駛舒適性的主要原因，因此電機(jī)振動(dòng)噪聲是亟待解決主要問(wèn)題[1-3]。永磁同步電機(jī)噪聲的主要來(lái)源是電磁噪聲，其中徑向電磁力波是導(dǎo)致電磁噪聲產(chǎn)生的主要原因。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了深入研究。浙江大學(xué)學(xué)者陳陽(yáng)生與楊浩東對(duì)永磁直流電機(jī)進(jìn)行了分析，得出徑向力是由轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生[4-5]。韓國(guó)學(xué)者Ko H S分析電磁振動(dòng)源：齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和徑向力波，得到結(jié)果，對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生影響最大的是徑向力波[6]。于慎波教授等對(duì)永磁同步電機(jī)產(chǎn)生噪聲的主要力波進(jìn)行研究，改變永磁體結(jié)構(gòu)以降低徑向磁通密度功率譜值，目的是為了降低電機(jī)振動(dòng)噪聲[7]。Islam R, Husain I學(xué)者研究表明，電機(jī)振動(dòng)噪聲的根源是徑向力而非轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[8]。

本文以8極36槽永磁同步電機(jī)作為研究對(duì)象，研究永磁同步電機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲，利用有限元軟件研究電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的電磁場(chǎng)特性與電機(jī)在徑向電磁力作用下的振動(dòng)噪聲。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元仿真結(jié)果比較，驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，并為降低永磁同步電機(jī)噪聲奠定基礎(chǔ)。

1 電機(jī)徑向磁通密度理論

1.1 徑向電磁力解析法分析

根據(jù)Maxwell定律可知，徑向電磁力可表示[9-11]：

(1)

式中：Fn(t,θ)表示徑向電磁力密度，單位：N/m2；b(t,θ)表示氣隙磁通密度，單位：T；μ0表示真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m；θ表示電角度，單位：rad；t表示時(shí)間，單位：s。

1.2 有限元計(jì)算徑向磁通密度

利用有限元軟件建立分析永磁同步電機(jī)電磁場(chǎng)的二維有限元仿真模型，如圖1所示，電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。采用時(shí)步有限元法對(duì)電動(dòng)車用永磁同步電機(jī)進(jìn)行負(fù)載特性仿真分析，計(jì)算出電機(jī)負(fù)載工況的徑向磁通密度隨轉(zhuǎn)子位置變化趨勢(shì)圖，如圖2所示，圖3是徑向磁通密度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖。

圖1 電機(jī)有限仿真模型

表1 電機(jī)結(jié)構(gòu)極數(shù)參數(shù)

圖2 徑向磁通密度隨轉(zhuǎn)子位置變化趨勢(shì)圖

圖3 徑向磁通密度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

根據(jù)圖2與圖3可以看出，電機(jī)氣隙磁密波形呈周期變化。在圖2中，因受定子開(kāi)槽的影響，氣隙磁密在電機(jī)定子齒位置波動(dòng)較大。

對(duì)計(jì)算得到的氣隙磁密隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行傅里葉分析，可得到磁場(chǎng)諧波次數(shù)與諧波磁場(chǎng)幅值，如表2所示。

表2 磁通密度諧波次數(shù)及幅值

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了證明本文數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，對(duì)電機(jī)在額定負(fù)載、額定工頻條件下電機(jī)聲壓級(jí)頻譜與振動(dòng)加速度頻譜進(jìn)行研究。電機(jī)振動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試具體布置過(guò)程：測(cè)試點(diǎn)與電機(jī)轉(zhuǎn)軸的中心線在同一水平面，在電機(jī)的左側(cè)距離電機(jī)1.0 m處設(shè)置噪聲測(cè)試點(diǎn)，在電機(jī)定子殼頂端幾何中心設(shè)置加速度傳感器測(cè)試電機(jī)的振動(dòng)位移?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖4所示，測(cè)試結(jié)果如圖5與圖6所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣機(jī)圖

圖5 額定轉(zhuǎn)速工況下聲壓級(jí)頻譜圖

圖6 額定轉(zhuǎn)速工況下振動(dòng)加速度頻譜

3 電機(jī)振動(dòng)噪聲有限元分析及電機(jī)實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

對(duì)電機(jī)進(jìn)行聲場(chǎng)有限元模型建立時(shí)，為了與電機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試振動(dòng)噪聲實(shí)際情況相吻合，在利用有限元軟件建立電機(jī)有限元模型時(shí)，計(jì)算電機(jī)噪聲輻射聲場(chǎng)的圓心是電機(jī)底面的幾何中心，建立半徑為1.0 m的半球體，把輻射聲場(chǎng)離散成有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格類型定義為四面體單元，材料屬性定義為空氣。為了精確計(jì)算電機(jī)振動(dòng)噪聲，以電機(jī)底部幾何圓心為0.5 m建立半球體，將半徑為1.0 m的半球體分為兩個(gè)部分，將電機(jī)本體外半徑為0.5 m半球體網(wǎng)格細(xì)化，電機(jī)噪聲測(cè)試點(diǎn)分布示意圖如圖7所示，噪聲有限元分析模型如圖8所示。

圖7 電機(jī)噪聲測(cè)試測(cè)點(diǎn)分布示意圖

圖8 噪聲有限元分析網(wǎng)格模型

將計(jì)算出的徑向磁通密度代入式(1)，可得電機(jī)徑向電磁力密度，根據(jù)電機(jī)定子內(nèi)表面每個(gè)單元的大小計(jì)算出單元面積，利用電機(jī)徑向電磁力密度與單元面積的乘積得出徑向電磁力，將徑向電磁力分別施加在定子齒表面的每個(gè)單元上，作為計(jì)算電機(jī)振動(dòng)噪聲的激振力，如圖9所示。

圖9 電機(jī)徑向電磁力加載

圖10為電機(jī)左側(cè)聲壓變化趨勢(shì)圖，圖11為電機(jī)定子殼頂端的一點(diǎn)的振動(dòng)位移變化圖。

圖10 電機(jī)左側(cè)聲壓變化趨勢(shì)圖

圖11 電機(jī)定子殼頂端的一點(diǎn)的振動(dòng)位移變化圖

利用仿真分析出的聲壓值計(jì)算電機(jī)噪聲，其公式：

(2)

式中：ps為測(cè)試點(diǎn)聲壓值；p0為參考聲功率值，p0=2×10-5Pa。

根據(jù)式(2)計(jì)算出電機(jī)的噪聲值，如表3所示。

表3 電機(jī)噪聲值對(duì)比

表3中仿真計(jì)算出的噪聲值比實(shí)驗(yàn)值偏小，主要是由于仿真分析時(shí)只考慮了電磁噪聲，未將機(jī)械噪聲、空氣噪聲以及背景噪聲考慮進(jìn)去，因此導(dǎo)致仿真噪聲與實(shí)驗(yàn)所測(cè)噪聲存在誤差，但是誤差小于5%。

將電磁場(chǎng)分析出的徑向磁通密度進(jìn)行頻譜分析，其分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 額定轉(zhuǎn)速下徑向磁通密度頻譜分析圖

根據(jù)圖5、圖6及圖12的數(shù)據(jù)比較，分析出徑向電磁力是電機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的主要原因，如表4所示，表中“-”表示對(duì)應(yīng)振動(dòng)噪聲頻率中沒(méi)有該頻率。

表4 徑向磁通密度頻率與實(shí)測(cè)振動(dòng)及噪聲頻率

表4中聲壓級(jí)的64 Hz的峰值是2倍旋轉(zhuǎn)頻率fr引起的，然而測(cè)試電機(jī)噪聲聲壓級(jí)設(shè)備的分辨率是32 Hz，導(dǎo)致有限元分析的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值存在誤差。

表4中可知，實(shí)測(cè)電機(jī)噪聲頻率224.0 Hz與928.0 Hz和電機(jī)徑向電磁力頻率226.6 Hz與935.0 Hz相近,引起電機(jī)共振，產(chǎn)生噪聲。

從表4中實(shí)測(cè)電機(jī)振動(dòng)頻率3 568 Hz與6 000 Hz和徑向電磁力頻率3 570 Hz與6 063.6 Hz相近，引起電機(jī)產(chǎn)生共振，導(dǎo)致振動(dòng)位移增大。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以8極36槽電動(dòng)車用永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，利用電磁場(chǎng)軟件計(jì)算出的徑向電磁力并加載在電機(jī)定子內(nèi)表面，計(jì)算出電機(jī)的振動(dòng)噪聲，實(shí)驗(yàn)測(cè)試電機(jī)振動(dòng)噪聲，與有限元仿真計(jì)算比較，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了理論計(jì)算模型的準(zhǔn)確性；同時(shí)，測(cè)試測(cè)得電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速工況下聲壓頻譜圖、加速度頻譜圖及徑向磁通密度頻譜圖，比較3張頻譜圖，驗(yàn)證了電機(jī)徑向電磁力是電機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的主要來(lái)源。