永磁同步電機軸向力分析與噪聲抑制①

羅平亮， 韓 明， 張 戟， 張冠楠

(1.聯(lián)合汽車電子有限公司電力驅(qū)動業(yè)務(wù)部，上海 201206;2.同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

作為新能源汽車中的核心零部件之一，驅(qū)動電機起到傳統(tǒng)發(fā)動機的動力輸出作用.而其噪聲也成為整車噪聲的重要源頭.相對于內(nèi)燃機，雖然電機產(chǎn)生的噪聲總體水平更低，但電機噪聲多集中在高頻段，衰減慢，且更易引起人的不舒適感，因此驅(qū)動電機的噪聲問題不容忽視.分析及改善驅(qū)動電機的噪聲，對于新能源汽車整車降噪具有重要意義.

永磁同步電動機噪聲主要包括電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲[1].對于新能源汽車驅(qū)動用永磁同步電機，自然散熱或強迫風(fēng)冷已難以滿足其持續(xù)性能的需求.所以往往采取定子外表面冷卻水道冷卻或者定轉(zhuǎn)子直接油冷，從而其空氣動力噪聲所占比例較小.

業(yè)內(nèi)分析永磁同步電機噪聲往往只關(guān)注徑向力和切向力，對于軸向力分析較少.本文分析由常規(guī)定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極帶來軸向力，提出了減少軸向力的改進方案并驗證其效果.

1 現(xiàn)有電機分析

作者所在單位現(xiàn)有80kW電機外觀如圖1所示.

電機噪聲相關(guān)分析如下.

電磁噪聲抑制方面

(1)選擇合適的極槽配合

電機的激勵力波即電磁力波，按方向可分為徑向力波、切向力波和軸向力波.

現(xiàn)有80kW電機為三相永磁同步電機.定子槽數(shù)Z為36，轉(zhuǎn)子極對數(shù)p為6.定子機殼內(nèi)設(shè)計有冷卻水道.逆變器輸出交流電頻率f1(對于變頻調(diào)速電機，f1非定值;電機轉(zhuǎn)速為n1=60f1/p，單位rpm)，每極每相槽數(shù)q=Z/(2p*3)=1，為整數(shù)槽繞組.

圖1 現(xiàn)有80kW電機外觀

主極磁場的諧波極對數(shù)如式(1)[1].

式中 r=0，1，2，3… ;

定子繞組諧波的極對數(shù)如式(2).

式中 k1=0，±1，±2，±3…;

徑向電磁力波的頻率如式(3).

得到徑向力波n=ν±μ如表1.通常鐵心振動時，動態(tài)變形的振幅大約與n4成反比，因此分析電磁噪聲主要是分析力波次數(shù)較小(n≤4)的電磁力波[2].

表1 現(xiàn)有80kW電機徑向力波表

由結(jié)果可以得出，該電機的徑向力波最低階次已達到12階，對降低電磁振動與噪聲有利.80kW電機產(chǎn)品的極槽配合設(shè)計合理，徑向力波并不會引起過大振動.

(2)選擇合適的繞組

該電機采用分布式繞組，星形連接，反電勢波形正弦度好，扭矩紋波較小.

(3)斜槽或斜極

為減小齒槽轉(zhuǎn)矩，80kW電機采用了定子斜槽方案，斜極角度為一個齒距.如圖2所示.

圖2 定子斜槽

機械噪聲抑制方面，轉(zhuǎn)子總成裝配后會做動平衡，動平衡精度等級高于6.3級.軸承采用的是進口耐高溫自密封軸承.裝配上采取的是冷壓，有專用工裝確保只是軸承內(nèi)圈受力.

空氣動力噪聲抑制方面，沒有采用風(fēng)扇，而是機殼內(nèi)設(shè)置冷卻水道.轉(zhuǎn)子表面僅有一些隔磁槽.沖片及疊裝都有嚴格的尺寸和工裝來保證.所以總體上，表面比較光滑.

從以上分析可見，現(xiàn)有80kW電機已有一些噪聲方面的考慮.對于該電機在整車上的噪聲表現(xiàn)，最大噪聲約95dB(A).如圖3所示.而傳統(tǒng)發(fā)動機噪聲為100～110 dB(A).

傳統(tǒng)NVH理論認為，在低速(0～60km/h)運行時，整車突出噪聲為動力系統(tǒng)噪聲，中速區(qū)(60km/h～100km/h)為胎噪(或稱路噪)為主，高速區(qū)(＞100km/h)風(fēng)噪為主，如圖4.可見，到車速達到60km/h以上時，動力系統(tǒng)噪聲已不再是整車最為突出的噪聲，被胎噪和風(fēng)噪“掩蓋”.

圖3 整車噪聲測試結(jié)果

圖4 不同車速下的整車NVH問題

此車型為純電動車，客戶關(guān)心區(qū)間:[30km/h，60km/h]，與以上理論一致.對應(yīng)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速區(qū)間[2560rpm，5110rpm]，雖然經(jīng)過車身及內(nèi)飾的隔離，在駕駛員側(cè)噪聲已得到衰減.客戶還是希望電機本身噪聲能進一步降低.以減少通過噪聲，提升整車的噪聲水平.

2 轉(zhuǎn)子軸向受力分析

對于徑向磁場永磁同步電機，人們關(guān)注的往往是徑向力和切向力，對軸向力的研究相對較少.

定子斜槽或轉(zhuǎn)子分段斜極是一種能有效削弱齒諧波、改善電機齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動的方法.但這會產(chǎn)生附加的軸向力，從而引起軸向竄動[3].

圖5所示直槽和斜槽定子中的通電導(dǎo)體受力情況，其中Ia為定子線圈中的電流，F(xiàn)T為通電線圈產(chǎn)生的電磁力，F(xiàn)ma為FT沿電機軸的軸向分力，F(xiàn)mt為FT垂直于電機軸的徑向分力，?表示永磁轉(zhuǎn)子的磁場方向.在永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場中，定子槽中的通電導(dǎo)體受到電磁力的作用，磁場、電流和電磁力三者的方向滿足左手定則，導(dǎo)體所受的電磁力與導(dǎo)體垂直.對于直槽內(nèi)的導(dǎo)體，其所受的電磁力F垂直于軸線，無軸向分量;而對于斜槽內(nèi)的導(dǎo)體，所受的電磁力FT不垂直于軸線，在軸向有分量[4].

根據(jù)作用力與反作用力的原理，對于定子斜槽永磁電機，轉(zhuǎn)子將承受額外的軸向力Fma.在電機結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子通過軸承來支撐和定位，因此，此軸向力最終作用在軸承上[4].

國外低噪聲、低振動的小型感應(yīng)電機中，有應(yīng)用如下所示雙斜槽的方法，中間增加了一個薄的中間環(huán)，如圖6所示.在永磁同步電機中，我們對分段轉(zhuǎn)子采取了類似的措施，從理論及樣品實測中，證實了方案的有效性，詳見本文第3部分.

圖5 通電導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力

圖6 感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子對稱雙斜槽

另外，對于永磁同步電機，定子鐵芯往往成一整體.而為了磁鋼加工及安裝方便，轉(zhuǎn)子鐵芯往往分割為若干疊片組，造成累積公差增大.目前多用0.27mm～0.5mm硅鋼片，使每個疊片組的公差定義在0.5左右，轉(zhuǎn)子總成軸向長度累積公差可達2～5mm.如此就無法確保定轉(zhuǎn)子磁中心重合，從而產(chǎn)生一定的軸向力，從而引起軸向竄動.

圖7 普通轉(zhuǎn)子斜極軸向力分析

3 消減軸向力的設(shè)計優(yōu)化及效果

為降低電機齒槽轉(zhuǎn)矩而采用的斜槽或斜極方案，會產(chǎn)生附加的軸向力，引起振動與噪聲.通過電磁仿真軟件分析，現(xiàn)有80kW電機采用普通單斜槽，大負載時產(chǎn)生的軸向力大于100N，如圖7所示.

圖8 普通斜槽、斜極與對稱斜槽、斜極的對比

圖9 轉(zhuǎn)子對稱分段錯位

圖10 普通單斜槽與對稱雙斜極的電機噪聲對比

采用對稱斜槽或斜極的電機可以在消除齒槽轉(zhuǎn)矩的同時，而不產(chǎn)生附加軸向力.采用這種方案的定子或轉(zhuǎn)子在軸向前半部分向一側(cè)(扭轉(zhuǎn))傾斜角度θsk，在軸向后半部分再向相反方向傾斜角度θsk，如圖8所示.兩部分軸向距離相等.由于這兩部分的斜槽或斜極采用了不同的傾斜方向，致使其產(chǎn)生的附加軸向力反相，從而于宏觀上相互抵消.達到了既消除切向力波又消除軸向力波的目的，且不會對電機性能造成額外影響.

考慮到工藝性，可用對稱分段錯位的方法代替對稱連續(xù)斜極，如圖9所示.

1)若使用定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極的方法，應(yīng)使定子或轉(zhuǎn)子的(扭轉(zhuǎn))傾斜角度θsk為:

式中，Nc為定子齒數(shù)Z與轉(zhuǎn)子極數(shù)2p的最小公倍數(shù).

2)若使用轉(zhuǎn)子對稱分段錯位的方法，為了保證附加軸向力的完全抵消，轉(zhuǎn)子的分段數(shù)Ns應(yīng)盡量選擇為偶數(shù)，為保證分段的意義，應(yīng)使Ns≥4，如圖9(a)所示.則此時的轉(zhuǎn)子每段錯位角度θsk為:

若使用轉(zhuǎn)子對稱分段錯位的方法時，因?qū)嶋H應(yīng)用條件Ns無法取偶數(shù)，如圖5(b)所示，則應(yīng)先令Ns′=Ns－ 1 獲得偶數(shù) Ns′，且Ns′≥4，此時的轉(zhuǎn)子每段錯位角度θss為:

值得注意的是，在這種應(yīng)用情況下，由于轉(zhuǎn)子未被平均劃分為兩段，致使齒槽轉(zhuǎn)矩和附加軸向力不能夠被完全消除.

對于現(xiàn)有80kW電機，轉(zhuǎn)子的分段數(shù)Ns=9為奇數(shù)，先令Ns′=Ns－1=8，然后可計算轉(zhuǎn)子每段錯位角度θss為:

θss可取 2.5°，5°，7.5°，…，實際按 2.5 制作樣品進行試驗.

普通單斜槽及對稱雙斜極的電機噪聲對比如圖10所示.

可以看出，相對于普通單斜槽，對稱雙斜極樣品的噪聲水平幾乎在全部轉(zhuǎn)速區(qū)間都有明顯下降，最大降幅達20dB(A).

4 結(jié)論

(1)從極槽配合、定子繞組等角度來看，現(xiàn)有80kW電機已有一些噪聲方面的考慮.但對于純電動車應(yīng)用來說，在30km/h至60km/h區(qū)間，噪聲依然較凸出.需要得到控制.

(2)為減小齒槽轉(zhuǎn)矩及扭矩波動，現(xiàn)有80kW電機采用了定子斜槽的方法.傳統(tǒng)的徑向力和切向力分析表現(xiàn)不錯.而軸向力方面的分析文獻較少.通過理論分析及電磁仿真，確認了軸向力的大致范圍.

(3)參考感應(yīng)電機的措施，采用轉(zhuǎn)子對稱斜極的方式，可大幅削減軸向力，通過實際樣品測試，達到了較好的噪聲改善的效果.

[1]陳永校，諸自強，應(yīng)善成.電機噪聲的分析和控制[M].浙江:浙江大學(xué)出版社，1987:17－18.

[2]霍向飛，李剛，李霞.合適的槽配合降低變頻調(diào)速電動機電磁噪音[J].電機技術(shù).2012，2:5－8.

[3]Aleksandr S.Nagorny，Narajan V.Dravid，Ralph H.Jansen，etc.Design Aspects of a High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor/Generator for Flywheel Applications.NASA/TM－2005－ 213651，7.

[4]何思源，符敏利，楊金霞.定子斜槽對永磁電機軸承的影響[J].大功率變流技術(shù).2012，2:59－62.