車用永磁同步驅動電機徑向力波仿真分析①

吳 爽， 于 蓬， 章 桐，2

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804;2.同濟大學新能源工程中心，上海 201804)

0 引言

驅動電機是電動汽車的關鍵部件之一，為了保證電動汽車的行駛穩(wěn)定性和舒適性，對電機的性能提出了更高的要求.本文主要針對電機的電磁噪聲展開研究.電磁噪聲由電磁振動產生，電磁振動則由電機的空氣隙中，定、轉子繞組電流建立的磁場的相互作用下所產生的周期力引起.

S.J.Yang總結出了電機產生的噪聲與噪聲源及其響應，以及作為噪聲源的裝置的輻射特性有關，第一次提出了近似共振的概念[1];文獻[2]對感應電動機、同步電動機和直流電動機噪聲產生機理進行了更詳盡和系統(tǒng)的研究，提出徑向力波的概念，對徑向力的頻率成分進行了數學描述和實驗驗證;代穎等對電動車驅動用永磁同步電機進行了力矩特性的研究[3];宋志環(huán)等進行了不同極槽配合永磁同步電動機振動噪聲分析[4];高學聯對電動汽車用永磁無刷電動機進行了研究[5].

本文以某電動小車的永磁同步驅動電機的電磁特性為對象進行分析和研究，采用Ansoft軟件建立其二維模型，對電機的氣隙磁密時間分布和空間分布進行仿真，計算得到電機的徑向電磁力波.

1 永磁電機二維仿真模型

1.1 模型建立

利用Ansoft Maxwell中的RMxprt模塊對45kw永磁同步電機進行建模，本文研究的為電動汽車驅動用永磁電機.通過實地觀測得到電機的各項參數，對電機結構較為復雜的轉子進行CAD建模.

圖1 電機二維仿真模型

表1 電機的結構參數

運用 Ansoft軟件后其中的 RMxprt模塊對45kW電機定子鐵心，轉子鐵心和永磁體材料進行定義，生成電機的二維模型.模型建立后利用該模塊的一鍵式直接導入2D界面的功能，自動完成45kW電機Maxwell 2D模型的建立.同時將CAD建立的轉子的模型導入到該二維模型中，取代其自動生成的轉子模型，電機的二維建模完成.

1.2 模型驗證

對電機施加三相正弦電流作為電機的激勵源，以額定負載轉速3000rpm為例，三相激勵電流如圖2所示.

圖2 3000rpm時電機三相激勵電流

圖3 各轉速下試驗測得和仿真得到的電機輸出轉矩

圖4 定子內表面圓周的氣隙磁密空間分布

通過給定負載正弦波激勵電流和恒定轉速，將仿真得到的輸出轉矩與實驗得到的數據進行對比，對仿真模型進行驗證.圖3為各轉速下試驗和仿真得到的電機的輸出轉矩.可知軟件仿真得到的各轉速下的負載輸出轉矩與實驗得到的各轉速下的負載輸出轉矩基本吻合，驗證了軟件仿真模型的正確性，即對于對稱布置永磁體，不考慮端部效應的永磁同步電機可以采用二維模型替代三維模型的簡化方式，對電機的性能進行仿真.

2 永磁電機仿真分析

2.1 空載分析

為了方便空載工況的計算，將激勵電流值設為0，對額定轉速3000rpm進行了仿真，得到定子內表面圓周的氣隙磁密空間分布如圖4所示，電機定子內表面某點的氣隙磁密時間分布如圖5所示.

圖5 定子內表面某點的氣隙磁密時間分布

圖6 3000rpm時電機定子內表面某點的氣隙磁密時間分布

圖7 3000rpm時電機定子內表面某點的氣隙磁密時間分布諧波分析

圖4為定子內表面圓周的氣隙磁密空間分布，從整體上來看與空間點的氣隙磁密時間分布波形較為相似，都類似矩形波，且有一段時間內氣隙磁密為0.但氣隙磁密空間分布上每個波峰波谷處都有極大的波動，幅度達到0.6T.圖5所示為電機定子內表面某點的氣隙磁密時間分布，圖中曲線光滑，氣隙磁密呈現類似矩形波形狀，氣隙磁密的最大值約為0.8T，且波形之間有一段時間的延遲，即某一段時間氣隙磁密為0.

圖8 3000rpm時電機定子內表面氣隙磁密空間分布

2.2 負載分析

2.2.1 氣隙磁密時間分布和空間分布

給定相應的正弦波激勵電流，對不同轉速下電機的穩(wěn)態(tài)工況進行仿真分析，可以得到氣隙磁密的時間分布和空間分布.

以額定負載轉速3000rpm為例，得到電機定子內表面某點的氣隙磁密時間分布如圖6所示，諧波分析如圖7所示.表2為對各轉速下該點氣隙磁密時間分布圖進行諧波分析后得到的諧波幅值最大處頻率.

表2 諧波幅值最大處頻率及氣隙磁密大小

結合表2和圖7可以看出，在各個轉速下，氣隙磁密的基頻與激勵電流的頻率保持一致;基頻處的幅值最高，約為諧波最大幅值的6～7倍.之后的幅值高點出現在3倍頻，5倍頻，7倍頻，9倍頻，11倍頻處，其中7倍頻處的幅值在這些倍頻中最大.從走向趨勢上來看，從1000rpm到7000rpm轉速范圍內基頻及各倍頻處的幅值都隨著轉速的變大呈現下降的趨勢.7000rpm到9000rpm轉速范圍內基頻處的幅值則隨著轉速的增加而略有增長.整體而言，基頻隨著激勵電流頻率的增大而增大，在高轉速時，5000Hz內氣隙磁密諧波的成分較低轉速時明顯減少，幅值也較低.

電機定子內表面周向的氣隙磁密分布如圖8所示.電機有4對極，即一共8極，所以在一周范圍內氣隙磁密共有4個波峰和4個波谷，對應該極的氣隙磁密最大處.負載時的氣隙磁密隨定子內表面的空間分布與激勵電流的正弦波形相似，不同于空載時類似矩形波的氣隙磁密空間分布波形.從圖中可以得到，氣隙磁密的最大值約為1.4T，每隔45°出現一個波峰或波谷，而且越靠近峰值處，氣隙磁密的波動越大，當接近0時，則基本無波動，與空載時的變化趨勢相似.這是由于定子繞組槽對氣隙磁密的影響，所以在某空間點氣隙磁密沿時間分布圖上并沒有這種波動現象.

2.2.2 徑向電磁力時間分布

圖9 3000rpm負載轉速下電機定子內表面某點的徑向電磁力時間分布

圖10 3000rpm時電機定子內表面某點的徑向電磁力的諧波分析

表3 諧波幅值最大處頻率及徑向電磁力波大小

以額定轉速負載穩(wěn)態(tài)工況為例，得到該空間點的徑向電磁力時間分布和諧波分析.從圖10可得3000rpm負載轉速下該點的徑向電磁力的諧波分析的最大值出現在頻率為0處，為2.649×105N/m2.諧波幅值呈現隨轉速增加而減小的趨勢，與氣隙磁密的變化基本相同.

各轉速下徑向電磁力的諧波幅值最大處的頻率及其幅值大小如表3所示.將表2與表3比較可知，徑向力波的頻率為激勵電流頻率的2倍，即f=2f1r(r=1，2，3，…)，f1為激勵電流頻率，及激勵電流的頻率.由此可得，同步電機的電磁噪聲和振動頻率與電網頻率成整數倍的關系，當電網頻率為50Hz時，同步電機的振動和噪聲頻率為100的倍數，這也是同步電機與異步電機在振動和噪聲方面的區(qū)別所在.而對于本文研究的電動汽車驅動用調速永磁同步電機來說，為了滿足盡可能增大輸出轉矩和轉速的變化范圍的要求，采用變頻器供電的情況下，各轉速的徑向力波的諧波頻率分布較為密集，易與定子產生共振效應，產生劇烈的振動.

3 結論

電機的電磁振動和噪聲是由作用于電機定子上的徑向電磁力波和切向轉矩波動引起的，本文從徑向電磁力波入手，對永磁同步驅動電機的空載和負載穩(wěn)態(tài)工況進行了分析研究.

(1)對于對稱分布的調速永磁同步電機可以通過二維模型代替三維模型進行仿真.

(2)氣隙磁密的時間分布和空間分布隨轉速的增加幅值減小.從其諧波分析可以得到基波時的幅值最大，分布在5000Hz內的諧波數量和幅值也呈減小趨勢.

(3)徑向力波在頻率為二倍激勵電流頻率時的諧波幅值最大，諧波幅值也隨轉速的增加而減小.

[1]J.Ellison，S.J.Yang.Calculation of Acoustic Power Radiated by Electric Machine[J].Acoustics，1971，(25):28 － 34.

[2]S.J.Yang.Low Noise Electrical Motors[M].Clarendon Press，Oxford，1981.

[3]代穎，崔淑梅.電動車驅動用永磁同步電機力矩特性的研究[J].高技術通訊，2005，15(12):64 －67.

[4]宋志環(huán)，韓雪巖，陳麗香，唐任遠.不同極槽配合永磁同步電動機振動噪聲分析[J].微電機，2007，40(12):11 －14.

[5]高學聯.電動汽車用永磁無刷電動研究[D].山東大學，2010.

[6]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京:機械工業(yè)出版社，1997.

[7]陳永校.電機噪聲的分析和控制[M].杭州:浙江大學出版社，1987.