電動(dòng)客車(chē)用永磁同步電機(jī)噪聲特性研究

康 娟，蔣衛(wèi)偉，楊思雨，丁計(jì)飛，秦亞坤

(鄭州市宇通客車(chē)股份有限公司，鄭州 450061)

0 引 言

新能源客車(chē)用永磁同步電機(jī)具有調(diào)速范圍寬、功率密度高、高效區(qū)占比大和結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，往往因高功率密度和輕量化設(shè)計(jì)導(dǎo)致電機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度變差，電磁力波幅值增大，因此容易引起較大的電磁振動(dòng)和噪聲[1]。隨著人們對(duì)客車(chē)NVH性能的要求越來(lái)越高，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為純電動(dòng)汽車(chē)主要的噪聲源之一，電機(jī)的NVH性能受到了廣泛的關(guān)注，電機(jī)的振動(dòng)噪聲特性成為衡量電機(jī)性能的重要指標(biāo)。

本文以一臺(tái)額定功率為80kW的10極60槽徑向磁通永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，基于有限元法建立電磁場(chǎng)仿真模型，對(duì)比分析電機(jī)在空載和額定負(fù)載工況下作用于電機(jī)定子齒部的徑向電磁力波差異及其頻域特性，最后通過(guò)半消聲室進(jìn)行電機(jī)空載和額定負(fù)載噪聲試驗(yàn)，驗(yàn)證了電機(jī)噪聲的階次特性，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了電機(jī)空載與額定負(fù)載工況電機(jī)噪聲的差異。

1 永磁同步電機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理的不同，電機(jī)噪聲大致分為：機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和電磁噪聲[2]。

1.1 機(jī)械噪聲

電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡，軸承的磨損以及結(jié)構(gòu)共振是形成機(jī)械噪聲的主要原因。由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心線(xiàn)與轉(zhuǎn)軸中心線(xiàn)不重合產(chǎn)生不平衡引起的旋轉(zhuǎn)噪聲，其頻率為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率及倍數(shù)頻率，通常伴隨有一階振動(dòng)出現(xiàn)[3]。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，軸承滾珠與內(nèi)、外圈滾道滾動(dòng)摩擦，滾珠與滾道接觸處發(fā)生周期性彈性變形，從而產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。當(dāng)軸承磨損嚴(yán)重或因裝配誤差導(dǎo)致軸承徑向游隙較小時(shí)，將產(chǎn)生劇烈的機(jī)械噪聲。

1.2 空氣動(dòng)力噪聲

空氣動(dòng)力噪聲是電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)座內(nèi)腔氣體壓力的急劇變化和氣流與流經(jīng)通道的摩擦所產(chǎn)生，空氣動(dòng)力噪聲通常隨氣流傳播[4]。車(chē)用永磁同步電機(jī)通常采用水冷，無(wú)通風(fēng)系統(tǒng)和風(fēng)扇，且生產(chǎn)制造中盡可能保證轉(zhuǎn)子表面光滑，因此，空氣動(dòng)力噪聲對(duì)電機(jī)總聲壓級(jí)的貢獻(xiàn)較小。

1.3 電磁噪聲

電機(jī)氣隙磁場(chǎng)作用于定子鐵心所產(chǎn)生隨時(shí)間和空間變化的電磁力，激發(fā)電磁振動(dòng)并通過(guò)機(jī)座輻射電磁噪聲。電磁力有徑向和切向兩個(gè)分量，徑向分量使定子鐵心產(chǎn)生周期性振動(dòng)和變形，是引起電磁噪聲的主要來(lái)源；切向分量使定子齒頂相對(duì)根部發(fā)生彎曲并產(chǎn)生局部振動(dòng)，是產(chǎn)生電磁噪聲的次要來(lái)源。永磁同步電機(jī)定子與機(jī)座通常為剛性連接，定子鐵心的周期性振動(dòng)直接傳遞至機(jī)殼，使周?chē)目諝猱a(chǎn)生脈動(dòng)并輻射噪聲。當(dāng)徑向電磁力波的頻率與電機(jī)定子系統(tǒng)的諧振頻率接近時(shí)，電機(jī)將發(fā)生共振并輻射嚴(yán)重的電磁噪聲。

當(dāng)前研究表明，在電機(jī)噪聲類(lèi)別中電磁噪聲占絕大貢獻(xiàn)[5]，因此，從電磁力波著手分析和抑制電磁噪聲是提升電機(jī)NVH水平一種快速且有效的方法。

2 永磁同步電機(jī)電磁力波分析

電磁噪聲來(lái)源于電磁振動(dòng)，電磁振動(dòng)是由電機(jī)氣隙磁場(chǎng)作用于定子鐵心產(chǎn)生的電磁力波所激發(fā)[6]。對(duì)于徑向磁通電機(jī)，因磁通密度的徑向分量遠(yuǎn)大于切向分量，所以徑向電磁力對(duì)電磁噪聲起主導(dǎo)作用。而引發(fā)電磁噪聲的徑向電磁力取決于定、轉(zhuǎn)子的繞組磁勢(shì)和氣隙磁導(dǎo)，因此，對(duì)引起電機(jī)電磁噪聲的電磁力的研究問(wèn)題即轉(zhuǎn)化為對(duì)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的分析。

2.1 解析法計(jì)算徑向電磁力波

由麥克斯韋張量法，作用于定子鐵心表面單位面積的徑向電磁力波為

(1)

切向電磁力為

(2)

式中,μ0為空氣磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m，br(θ,t)為徑向氣隙磁密，bt(θ,t)為切向氣隙磁密。

在不考慮鐵心磁阻并忽略磁路飽和的影響，電機(jī)氣隙磁密可由氣隙磁動(dòng)勢(shì)f(θ,t)和單位面積磁導(dǎo)λ(θ,t)的乘積求得，即

b(θ,t)=f(θ,t)λ(θ,t)

(3)

式中,f(θ,t)為氣隙磁動(dòng)勢(shì)；λ(θ,t)為單位面積氣隙磁導(dǎo)，θ為電角度，t為時(shí)間。

對(duì)于定子繞組每極每相槽數(shù)為整數(shù)的電機(jī)，其定子繞組氣隙諧波和轉(zhuǎn)子諧波的極對(duì)數(shù)為

v=(6m+1)pm=0,±1,±2,±3,…
μ=(2n+1)pn=0,1,2,3,…

(4)

式中,v、μ分別為定子、轉(zhuǎn)子的諧波極對(duì)數(shù)。

定子諧波與轉(zhuǎn)子諧波相互作用產(chǎn)生的電磁力波次數(shù)及其頻率為

γ=(μ±v)
fγ=(1±μ)f0

(5)

式中，γ為力波次數(shù)，fγ為力波激振頻率，f0為電源頻率。

由式(1)～式(5)可知，當(dāng)電磁力諧波的次數(shù)較大時(shí)，其激振頻率較高，與之對(duì)應(yīng)的諧振頻率較大，且電磁力幅值較小從而引起的電磁振動(dòng)較小，不易誘發(fā)較大的電磁噪聲。因此，在電機(jī)NVH開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)研究低階次電磁力波。表1列出10極60槽電機(jī)可能存在的徑向電磁力波的空間階數(shù)，由表1可知，電磁力波階數(shù)是轉(zhuǎn)子極數(shù)的整數(shù)倍。

表1 徑向電磁力波空間階數(shù)

永磁同步電機(jī)通常采用變頻器供電，輸入的電流或電壓不是理想的正弦波，而是一系列等幅不等寬的電流或電壓脈沖，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換可得到一系列的時(shí)間諧波[7]。電流的時(shí)間諧波將在定子磁場(chǎng)中產(chǎn)生高頻諧波成分，進(jìn)而引發(fā)電機(jī)的振動(dòng)噪聲。由電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程[8]：

(6)

式中,p為極對(duì)數(shù)，ψ為定子繞組磁鏈；iq和id為q軸和d軸電流，Lq和Ld為q軸和d軸電感，θ為相電流與主磁極的夾角。

對(duì)于永磁同步電機(jī)，電源頻率f0=np/60，n是電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，以電機(jī)轉(zhuǎn)速為參考轉(zhuǎn)速，則電流基頻為5階。由式(6)可知，轉(zhuǎn)矩中存在電流基頻及其6倍諧波，即30階諧波成分。

2.2 有限元法計(jì)算徑向電磁力波

本文所研究的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為10極60槽永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置V字型結(jié)構(gòu)，定子槽型為梨形槽，表2為電機(jī)主要參數(shù)。建立電機(jī)的電磁有限元仿真模型，采用時(shí)步有限元法對(duì)永磁同步電機(jī)電磁力波進(jìn)行仿真分析。

表2 電機(jī)主要參數(shù)

對(duì)電機(jī)定子繞組施加三相交流電，得到電機(jī)空載磁密分布如圖1所示。從圖中可以看出電機(jī)的磁密在定子齒部較大，并在轉(zhuǎn)子永磁體端部的隔磁槽處達(dá)到飽和。每極下空載氣隙磁密-角度曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖1 電機(jī)空載磁密云圖

圖2 電機(jī)每極下空載氣隙磁密

將電機(jī)的氣隙磁密代入式(1)～式(2)可得到電機(jī)徑向和切向電磁力波隨空間角度變化的曲線(xiàn)，如圖3所示。可以看出，由于定子開(kāi)槽，電磁力波在定子鐵心齒部波動(dòng)較大。

圖3 電機(jī)空載電磁力波

2.3 電機(jī)空載與額定負(fù)載徑向電磁力波對(duì)比分析

電機(jī)工作時(shí)通常帶有一定載荷，因此電機(jī)負(fù)載噪聲更能真實(shí)反映電機(jī)在整車(chē)上的噪聲水平，為研究電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下額定負(fù)載與空載電磁力波差異，選取低速大負(fù)載(轉(zhuǎn)速1000r/min、轉(zhuǎn)矩250Nm)、恒功率(轉(zhuǎn)速4000r/min、轉(zhuǎn)矩191Nm)和高速弱磁(轉(zhuǎn)速6000r/min 、轉(zhuǎn)矩127Nm)三個(gè)工況點(diǎn)對(duì)比電機(jī)額定負(fù)載和空載時(shí)徑向電磁力波，對(duì)電機(jī)徑向電磁力進(jìn)行FFT分析，得到電機(jī)的電磁力諧波的幅值分布如圖4～圖6所示。

圖4 1000r/min額定負(fù)載與空載徑向電磁力波對(duì)比

圖5 4000r/min額定負(fù)載與空載電磁力諧波對(duì)比

圖6 6000r/min額定負(fù)載與空載電磁力諧波對(duì)比

從圖4～圖6可以看出，額定負(fù)載下0階、10階30階、50階、60階電磁力的幅值均高于空載。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，0階力波幅值降低，10階力波幅值顯著增大，30階、60階力波增加較少。這是由于電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，弱磁電流增加，引起氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生畸變，從而導(dǎo)致電磁力諧波含量增加。

3 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)特性分析

電機(jī)定子結(jié)構(gòu)在徑向電磁力波的激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)，其振動(dòng)幅值與電磁力波的頻率、幅值以及定子結(jié)構(gòu)的諧振頻率等因素有關(guān)，將定子系統(tǒng)等效為帶端蓋的圓柱形殼體，則r階徑向電磁力波產(chǎn)生的振動(dòng)位移為[9]

(7)

式中,M為定子和機(jī)座的總質(zhì)量；ωm為m階固有角頻率；ωr為r階電磁力波角頻率；Fm為徑向電磁力，其表達(dá)式為Fm=πDLpr，其中D為鐵心內(nèi)徑；L為電機(jī)鐵心有效長(zhǎng)度；pr為r階電磁力密度幅值；ζm為模態(tài)阻尼比，表達(dá)式為

(8)

式中，fm為電機(jī)結(jié)構(gòu)的固有頻率。

由式(7)可知，定子系統(tǒng)的振動(dòng)位移與力波幅值Fm成正比，與力波階數(shù)r成反比。當(dāng)電磁力波頻率與電機(jī)固有頻率相近時(shí)，振動(dòng)幅值最大，并向外輻射較大的電磁噪聲。因此，在電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使電機(jī)模態(tài)頻率避開(kāi)電磁力波頻率，兩者差值越大越好。

為避免電機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生共振，需要對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文通過(guò)有限元法對(duì)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，2、3、4、5階模態(tài)振型仿真結(jié)果如圖7所示，2～6階模態(tài)頻率如表3所示。

圖7 定子鐵心模態(tài)振型仿真結(jié)果

表3 電機(jī)定子模態(tài)頻率有限元分析結(jié)果

仿真結(jié)果表明，電機(jī)定子2階、3階模態(tài)頻率較低，在電機(jī)調(diào)速中低階電磁力波頻率與模態(tài)頻率接近時(shí)容易引起較大的電磁噪聲。

4 電機(jī)噪聲臺(tái)架試驗(yàn)

電機(jī)噪聲試驗(yàn)在動(dòng)力總成半消聲室中進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)架如圖8所示，測(cè)試電機(jī)空載穩(wěn)態(tài)、負(fù)載穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)和空載瞬態(tài)加速工況的噪聲數(shù)據(jù)，分析電機(jī)空載噪聲階次特性和額定負(fù)載聲壓級(jí)變化。

圖8 電機(jī)噪聲試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)中關(guān)閉半消聲室艙門(mén)和通風(fēng)系統(tǒng)，穿墻軸由聲學(xué)隔聲罩覆蓋。噪聲采集儀器為西門(mén)子振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)LMS.Test.Lab。采用1米聲壓法，在距離電機(jī)外包絡(luò)面1米處布置8個(gè)傳聲器，采集各測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)下聲壓級(jí):

(9)

4.1 電機(jī)空載噪聲階次特性研究

為研究電機(jī)空載噪聲特性，進(jìn)行電機(jī)空載100～6000r/min升速試驗(yàn)，圖9為電機(jī)1米聲壓級(jí)階次譜圖，可以看出，在8000Hz內(nèi)電機(jī)的噪聲主要為10階、20階、30階和60階，隨轉(zhuǎn)速升高，10階噪聲增大，30階、60階噪聲變化較小，與2.3中電磁力波仿真結(jié)果吻合。其中，10階噪聲是由電磁力波引起，30階噪聲與電流基波的6倍對(duì)應(yīng)，60階噪聲主要由永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)產(chǎn)生。

圖9 電機(jī)空載1米聲壓級(jí)階次譜

在圖9電機(jī)空載噪聲階次譜中變頻器開(kāi)關(guān)頻率6000Hz附近存在“倒傘狀”的諧波激勵(lì)，這是由于變頻器輸入電機(jī)的三相交流電在定子磁場(chǎng)中產(chǎn)生的關(guān)于開(kāi)關(guān)頻率對(duì)稱(chēng)的一系列高次諧波成分導(dǎo)致，其頻率為

fn=nfT±m(xù)f0

(10)

式中，n和m為正整數(shù)，fT為開(kāi)關(guān)頻率。由圖9可以看出，在6000Hz附近，電流的3次諧波較大。

4.2 電機(jī)空載與負(fù)載穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)分析

電機(jī)負(fù)載噪聲試驗(yàn)所選的工作點(diǎn)如圖10所示。測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)速在500～6000r/min (步長(zhǎng)為500r/min)，額定負(fù)載和空載工況下的穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖10 電機(jī)額定負(fù)載工況點(diǎn)選取

圖11 電機(jī)額定負(fù)載與空載聲壓級(jí)

從噪聲對(duì)比數(shù)據(jù)可知，在1500r/min以下，電機(jī)輸出額定扭矩250Nm聲壓級(jí)較空載高9dB(A)以上，在2000～5000r/min區(qū)間，電機(jī)額定負(fù)載噪聲較空載高6-8dB(A)，5500r/min、6000r/min轉(zhuǎn)速點(diǎn)額定負(fù)載高于空載聲壓級(jí)2～3dB(A)。產(chǎn)生上述差異的原因一方面為電機(jī)在低速大負(fù)載工況點(diǎn)作用在定子齒頂?shù)那邢蛄h(yuǎn)大于空載，另一方面為在低速區(qū)由軸承引起的機(jī)械噪聲在額定負(fù)載與空載時(shí)相差較多。而隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，電機(jī)運(yùn)行至恒功率區(qū)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小，電機(jī)額定負(fù)載與空載噪聲差值減小。進(jìn)入弱磁區(qū)后，隨電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高，弱磁電流增大導(dǎo)致磁場(chǎng)畸變，徑向電磁力諧波增大，導(dǎo)致電磁噪聲增加，額定負(fù)載聲壓級(jí)與空載聲壓級(jí)的差值進(jìn)一步縮小。

為研究相同負(fù)載下轉(zhuǎn)速變化對(duì)電機(jī)噪聲的影響，分別測(cè)試在50Nm負(fù)載、3000～6000r/min(步長(zhǎng)為1000r/min)時(shí)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)，結(jié)果如圖12所示。

圖12 50Nm負(fù)載電機(jī)聲壓級(jí)

由圖12可知，電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定在50Nm時(shí)，在3000～5000r/min內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速升高電機(jī)聲壓級(jí)近似線(xiàn)性增加，但進(jìn)入高速區(qū)5000～6000r/min，電機(jī)負(fù)載噪聲隨轉(zhuǎn)速增加急劇增大，這主要由弱磁電流變化引起。電機(jī)剛進(jìn)入弱磁區(qū)工作弱磁電流較小，轉(zhuǎn)速升高至5000r/min，弱磁電流增大導(dǎo)致電磁力諧波成分增加、幅值增大引起電磁噪聲增大。

5 結(jié) 論

本文以一臺(tái)10極60槽的徑向磁通永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，基于電機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，運(yùn)用有限元仿真研究電機(jī)空載和負(fù)載工況下由徑向電磁力波差異,分析了由徑向電磁力波引起的電磁噪聲特性，并通過(guò)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：(1)該電機(jī)的噪聲階次主要為10階、20階、30階和60階，其中，10階噪聲是由電磁力波引起，30階噪聲與電流基波的6倍對(duì)應(yīng)，60階噪聲主要由永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)產(chǎn)生。(2)因電機(jī)在低速大負(fù)載工況作用于定子齒部較大的切向力和軸承噪聲差異以及在高速區(qū)弱磁電流的影響，隨轉(zhuǎn)速升高，電機(jī)額定負(fù)載工況穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)與空載的差值呈逐漸減小的趨勢(shì)。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)，驗(yàn)證了徑向電磁力波特性分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)階次特征的一致性，為永磁同步電機(jī)電磁噪聲優(yōu)化提供依據(jù)。