極靴隔磁槽對(duì)9槽6極IPMSM關(guān)鍵頻段噪聲的抑制研究

徐 飛，邱小華，尹華杰

(1.廣東美芝制冷設(shè)備有限公司，佛山 528399； 2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510640)

0 引 言

9槽6極永磁同步電動(dòng)機(jī)由于槽數(shù)、極數(shù)少，不僅具有一般分?jǐn)?shù)槽集中繞組端部連接短、省銅、高效的優(yōu)點(diǎn)，還具有線圈個(gè)數(shù)少、嵌線快、能以較低的逆變頻率獲得較高的電機(jī)轉(zhuǎn)速等額外優(yōu)點(diǎn)，在方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中采用較多[1]，而在交流永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，則需要解決轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大[2-4]、電樞磁動(dòng)勢(shì)諧波多[5]、低階振動(dòng)和噪聲較大[6]等諸多問(wèn)題。目前，少槽、近極槽數(shù)配合的分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁同步電動(dòng)機(jī)以9槽8極、9槽10極、10槽12極較為常見(jiàn)[7]，9槽6極永磁同步電動(dòng)機(jī)雖然也有些研究和應(yīng)用，但多集中于表貼式永磁同步電機(jī)[2-5]，因其電樞反應(yīng)弱，可抑制電樞諧波磁場(chǎng)。

在變頻空調(diào)壓縮機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，高性能的永磁、軟磁材料與永磁體內(nèi)置式結(jié)構(gòu)配合，再加上9槽6極的分?jǐn)?shù)槽集中繞組，可顯著提升空調(diào)整體效率、降低永磁體失磁風(fēng)險(xiǎn)、簡(jiǎn)化工藝、降低成本。但永磁體的高磁能將不可避免地產(chǎn)生較大的電磁力，9槽6極繞組有較大的低次電樞磁動(dòng)勢(shì)諧波加上內(nèi)置式轉(zhuǎn)子較大的電樞反應(yīng)，將不可避免地產(chǎn)生較大的低階次電樞磁密諧波，從而產(chǎn)生較為突出的低階次振動(dòng)和噪聲[6]。

文獻(xiàn)[8]全面綜述了分?jǐn)?shù)槽集中繞組表貼式永磁電機(jī)降低諧波的技術(shù)，包括采用特殊繞組結(jié)構(gòu)、定子軛部或轉(zhuǎn)子軛部添加磁障等幾種措施。但9槽6極電機(jī)由3個(gè)極簡(jiǎn)的單元電機(jī)構(gòu)成，無(wú)法象12槽10極等電機(jī)那樣通過(guò)采用Y-△混合繞組之類(lèi)的繞組設(shè)計(jì)措施來(lái)降低諧波[7]，在軛部添加磁障也難以抑制內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)IPMSM)的電樞諧波磁場(chǎng)。

本文針對(duì)一款由9槽6極IPMSM驅(qū)動(dòng)的變頻壓縮機(jī)樣機(jī)在某關(guān)鍵頻段存在低階次振動(dòng)與噪聲的問(wèn)題，分析確定了其關(guān)鍵電磁力波的磁場(chǎng)諧波來(lái)源；提出采用在轉(zhuǎn)子極靴上添加隔磁槽的措施來(lái)抑制關(guān)鍵磁場(chǎng)諧波，從而抑制關(guān)鍵頻段的振動(dòng)和噪聲；并應(yīng)用FEM動(dòng)態(tài)凍結(jié)磁導(dǎo)率法仿真，對(duì)比了多種方案的磁場(chǎng)諧波、關(guān)鍵徑向電磁力波，結(jié)合樣機(jī)制作與噪聲測(cè)試，驗(yàn)證了在轉(zhuǎn)子極靴上添加隔磁槽對(duì)關(guān)鍵頻段降噪的有效性。

1 9槽6極IPMSM關(guān)鍵徑向電磁力分析

1.1 電機(jī)徑向電磁力的解析計(jì)算與表示

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，旋轉(zhuǎn)電機(jī)氣隙徑向磁密Br(θ,t)及徑向電磁力pr(θ,t)：

Br(θ,t)=F(θ,t)·λ(θ,t)

(1)

(2)

式中：θ為氣隙圓周機(jī)械角度；t為時(shí)間；F(θ,t)為磁動(dòng)勢(shì)；λ(θ,t)為氣隙磁導(dǎo)；μ0=4π×10-7H/m。

無(wú)論是F(θ,t)、λ(θ,t)、Br(θ,t),還是pr(θ,t)，都可以用余弦形式的旋轉(zhuǎn)諧波Mn,mcos(npθ- 2πmfe+δn,m)之和來(lái)表示。其中，p為電機(jī)基波的極對(duì)數(shù)；n是旋轉(zhuǎn)諧波極對(duì)數(shù)對(duì)p的倍數(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)極對(duì)倍數(shù))，可取任何整數(shù)，其符號(hào)代表諧波正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)(0代表呼吸模態(tài)的諧波)；m是旋轉(zhuǎn)諧波在氣隙中某固定點(diǎn)處的徑向振動(dòng)頻率對(duì)基波電頻率fe的倍數(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)電頻倍數(shù))，可取任何非負(fù)整數(shù)(0代表靜止諧波)；Mn,m是該諧波的幅值；δn,m是該諧波的初相角。在下面的定性分析中，不考慮幅值和初相角，用(極對(duì)倍數(shù)，電頻倍數(shù))=(n,m)來(lái)指稱(chēng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)諧波，并在右括號(hào)“)”的右側(cè)下標(biāo)字母f、λ、B、p表示屬于磁動(dòng)勢(shì)、磁導(dǎo)、磁密或徑向力。

1.2 9槽6極IPMSM的噪聲根源分析

變頻壓縮機(jī)用9槽6極IPMSM樣機(jī)一個(gè)轉(zhuǎn)子磁極的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行在3 600～5 400 r/min(60～90 Hz)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的800～1 000 Hz頻段存在噪聲值偏高的問(wèn)題。經(jīng)近場(chǎng)聲源定位，確定振動(dòng)噪聲的源頭為電機(jī)本體。

圖1 IPMSM的轉(zhuǎn)子方案

考慮到定子徑向振動(dòng)的變形量大致與徑向力波的空間階次(一個(gè)電樞圓周的波個(gè)數(shù))的4次方成反比，故只需關(guān)注階次較低、幅值較大的力波。對(duì)于9槽6極IPMSM，就是關(guān)注0、3階、6階等力波(或者說(shuō)n=0、1、2的力波)中幅值較大的分量。n=0對(duì)應(yīng)呼吸模態(tài)的徑向力，與測(cè)得的振動(dòng)噪聲情況不符，可以排除。在n=1和n=2兩種情況中，當(dāng)徑向力幅值相同、諧振情況也相同時(shí)，前者產(chǎn)生的振動(dòng)變形量大約為后者的24=16倍，因此如果存在n=1的徑向力，就應(yīng)予以重點(diǎn)考慮。

從頻率來(lái)看，800～1 000 Hz頻段對(duì)應(yīng)的電頻倍數(shù)為m=800/(60×3)～1 000/(90×3)≈4.44～3.7。由于定子主要磁密諧波的頻率都等于fe，轉(zhuǎn)子主要磁密諧波的頻率都為fe的奇數(shù)倍，因此它們產(chǎn)生的徑向電磁力諧波的頻率都為fe的偶數(shù)倍，故800～1 000 Hz頻段徑向電磁力對(duì)應(yīng)的電頻倍數(shù)應(yīng)為m=4。需要重點(diǎn)考慮 (n,m) = (1, 4)p的徑向電磁力是否存在且幅值偏大。

由式(2)以及余弦函數(shù)積化和差公式可知：首先，3次諧波磁密(3, 3)B與電樞磁密的反轉(zhuǎn)2次諧波 (-2, 1)B可以產(chǎn)生(1, 4)p，5次諧波磁密(5, 5)B與電樞磁密的正轉(zhuǎn)4次諧波(4, 1)B也可以產(chǎn)生(1, 4)p；其次，(3, 3)B、(5, 5)B主要源于轉(zhuǎn)子永磁勵(lì)磁與氣隙平均磁導(dǎo)作用的貢獻(xiàn)，以及定子基波磁動(dòng)勢(shì)(1, 1)f與轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)諧波(2, 2)λ以及(4, 4)λ作用的貢獻(xiàn)，是難以避免的；最后，電樞(-2, 1)B、(4, 1)B來(lái)源于電樞諧波磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子平均磁導(dǎo)作用的貢獻(xiàn)，在9槽6極結(jié)構(gòu)下，它們的數(shù)值必然很大，且靠傳統(tǒng)手段難以抑制。因此，9槽6極IPMSM的(1, 4)p必然存在且較大。

2 極靴隔磁槽降噪方案及FEM分析

2.1 極靴隔磁槽措施及原理

9槽6極分?jǐn)?shù)槽集中繞組的電樞磁動(dòng)勢(shì)中含有很大幅值的反轉(zhuǎn)2次諧波，且無(wú)法通過(guò)短距、分布等傳統(tǒng)手段來(lái)抑制。為此，本文提出在轉(zhuǎn)子極靴上添加隔磁槽來(lái)抑制這類(lèi)諧波，從而達(dá)到降低電機(jī)關(guān)鍵頻段振動(dòng)噪聲的效果。該方法的具體結(jié)構(gòu)如圖1(b)、圖1 (c)的方案2、方案3所示，二者的差別在于，方案2的隔磁槽深度稍淺，方案3的隔磁槽較度、且一直貫通到了永磁體的表面。

隔磁槽降低電樞反應(yīng)磁密諧波的原理：電樞反應(yīng)的2次諧波磁密是以一個(gè)極距為周期的，因此轉(zhuǎn)子磁路的凸極性對(duì)其阻礙作用不大，但如果用圖1(b)、圖1(c)的隔磁槽，將每個(gè)磁極沿氣隙圓周方向分割成若干部分，從而迫使電樞磁密諧波的磁力線通過(guò)永磁體或隔磁槽，就會(huì)大幅降低包括2次電樞諧波磁密在內(nèi)的低次諧波磁密的幅值?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隔磁槽數(shù)量越多，能抑制的諧波磁密的次數(shù)就越高；隔磁槽越深，抑制的效果就越好。不過(guò)，所容許的隔磁槽數(shù)量、深度是受空間、機(jī)械強(qiáng)度等因素限制的。

需要說(shuō)明的是，本文采用隔磁槽的主要目的是抑制9槽6極集中繞組電樞反應(yīng)的磁密諧波。它不同于文獻(xiàn)[10-14]中介紹的不均勻分布的隔磁槽的用途，它們的主要目的是產(chǎn)生高正弦度的永磁場(chǎng)[10]，降低諧波損耗[11-12]，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[13]。

2.2 徑向磁密的動(dòng)態(tài)凍結(jié)磁導(dǎo)率FEM分析

針對(duì)圖1的3個(gè)方案，本文進(jìn)行了二維FEM凍結(jié)磁導(dǎo)率動(dòng)態(tài)電磁仿真，提取永磁勵(lì)磁與電樞電流勵(lì)磁共同作用的徑向氣隙磁密(Brofiabc+pm)、以及兩種勵(lì)磁各自貢獻(xiàn)的徑向氣隙磁密(Brofiabc、Brof pm)[14]，再進(jìn)行徑向磁場(chǎng)和徑向電磁力的二維傅里葉分析(FFT2)，以判斷隔磁槽對(duì)4fe徑向力的抑制效果。

由于3個(gè)方案的磁路存在差別，故在FEM仿真中，以產(chǎn)生相同平均電磁轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)，各方案的相電流有效值(id=0控制)分別設(shè)置為2.51 A、2.53 A和2.554 A。

圖2為3個(gè)方案氣隙磁密諧波的桿狀圖。圖3為前述關(guān)鍵4fe徑向力(1,4)的主要徑向磁密諧波源的方案對(duì)比柱狀圖，表1為其幅值比較?？梢?jiàn)：(1)總徑向磁密中，(1，1)B、(3，3)B、(5，5)B等磁密諧波主要來(lái)自永磁勵(lì)磁；反轉(zhuǎn)的2次磁密諧波(-2，1)B主要來(lái)自電樞勵(lì)磁；永磁勵(lì)磁、電樞勵(lì)磁都對(duì)正轉(zhuǎn)的(4，1)B磁密諧波有較大貢獻(xiàn)，但永磁勵(lì)磁的貢獻(xiàn)更大一些；(2)各方案的總基波磁密(1，1)B差別不大，相對(duì)方案1(基準(zhǔn))，方案2、方案3分別降低了0.7%和1.1%，其對(duì)平均電磁轉(zhuǎn)矩的影響已通過(guò)電樞電流的微調(diào)得到補(bǔ)償；(3)方案2、方案3的 (-2，1)B的總幅值分別降低了25%和33%；(4)(3，3)B的總幅值分別降低了47%和44%；(5)(4，1)B的總幅值分別降低了8%和15%；(6)(5，5)B的總幅值變化不大，分別變化了+0.7%和-6%?？傮w來(lái)講，方案2、方案3抑制關(guān)鍵磁密諧波的效果都很好，但隔磁槽貫通的方案3更優(yōu)一些。此外，隔磁槽不僅抑制了電樞反應(yīng)磁密諧波，也大幅降低了永磁磁密諧波。這是因?yàn)楦舸挪蹖?duì)氣隙永磁磁密具有分區(qū)、分流、隔離的效果，因而改變了氣隙永磁磁密的波形及諧波含量。

圖2 各方案徑向氣隙磁密諧波的桿狀圖(磁密FFT2結(jié)果的圖示)

圖3 各方案影響4fe關(guān)鍵徑向力(1, 4)p的主要徑向氣隙磁密諧波的幅值柱狀圖

表1 3個(gè)方案的徑向力(1.4)p的氣隙磁密幅值比較

2.3 4fe關(guān)鍵電磁力波的分析

基于式(2)以及各方案的總徑向氣隙磁密，可得各方案的徑向電磁力波及主要的4fe徑向力波如圖4所示。

圖4 3個(gè)方案的徑向力波對(duì)比(為便于區(qū)分，圖4(a)對(duì)各方案力波的位置做了微調(diào))

考慮到徑向力波引起的振動(dòng)幅值與力波模態(tài)階數(shù)x的4次方成反比，圖5(b)對(duì)比了各方案4fe主要力波的pr/x4。

圖5 3個(gè)方案的pr/x4對(duì)比

由圖4可見(jiàn)，幅值最大的4fe力波是(4,4)p，而非(1,4)p。不過(guò)，從圖4(b)可以清楚看出：除徑向力波(-2, 4)p外，方案2、方案3的其余4fe徑向力波幅值都顯著降低，尤其是徑向力波(1, 4)p分別降低約67.4%、83.9%，徑向力波(4, 4)p分別降低約56.7%、71.1%。

由圖5(b)可以看到：(1,4)p是pr/x4幅值最大的4fe力波，即關(guān)鍵的4fe力波，其他4fe力波的pr/x4都微乎其微。從圖5(b)同樣可以看出，方案2、方案3對(duì)關(guān)鍵4fe力波(1,4)p有顯著的抑制效果，且方案3更優(yōu)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)前述3個(gè)方案的樣機(jī)進(jìn)行了壓縮機(jī)噪聲測(cè)試對(duì)比?；趪?guó)標(biāo)GB 9068—88進(jìn)行噪聲測(cè)試，噪聲半球法測(cè)試平臺(tái)如圖6所示，其中數(shù)字1～10標(biāo)注的位置為噪聲采樣麥克風(fēng)的布置位置[15]。壓縮機(jī)由變頻器供電，采用SVPWM調(diào)制方式，載波頻率為6 kHz；聲壓采集由振動(dòng)噪聲測(cè)試儀和LMS軟件完成。

圖6 壓縮機(jī)噪聲測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)得60 Hz及90 Hz頻率下的壓縮機(jī)噪聲頻譜如圖7所示。各圖頂部的數(shù)據(jù)為相應(yīng)頻段噪聲改善的dB(A)數(shù)，左上角的數(shù)據(jù)為全頻段總噪聲改善的dB(A)數(shù)。與方案1(基準(zhǔn))相比：在60 Hz轉(zhuǎn)速下4fe對(duì)應(yīng)的800 Hz頻段，方案2降低了2.1 dB(A)，方案3降低了3.9 dB(A)；在90 Hz頻率下4fe對(duì)應(yīng)的1 000 Hz頻段，方案2降低了2.6 dB(A)，方案3降低了4.1 dB(A)。由此可見(jiàn)，隔磁槽對(duì)4fe頻段的噪聲抑制效果是十分顯著的。

圖7 60 Hz和90 Hz下IPMSM驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的噪聲頻譜圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)一款變頻壓縮機(jī)用9槽6極IPMSM樣機(jī)在800～1 000 Hz頻段噪聲偏高的問(wèn)題，進(jìn)行了電機(jī)徑向電磁力的分析與根源辨識(shí)，確定p極對(duì)數(shù)、4fe電頻率的徑向電磁力波為該頻段振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵電磁力波，且該力波主要由3次、5次永磁密諧波以及反轉(zhuǎn)的2次、正轉(zhuǎn)的4次電樞磁密諧波引起，傳統(tǒng)方法難以抑制；提出在轉(zhuǎn)子極靴上添加隔磁槽的措施，來(lái)抑制這些磁密諧波，進(jìn)而抑制關(guān)鍵徑向電磁力波，并設(shè)計(jì)了隔磁槽深淺不同的2套轉(zhuǎn)子方案；對(duì)各方案進(jìn)行了有限元?jiǎng)討B(tài)凍結(jié)磁導(dǎo)率仿真，計(jì)算結(jié)果表明隔磁槽方案(尤其是貫通的方案)不僅能夠顯著抑制關(guān)鍵電樞磁密諧波，對(duì)關(guān)鍵永磁磁密諧波也有抑制效果，頻率為4fe的關(guān)鍵徑向電磁力波得到了大幅降低；對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了噪聲測(cè)試，結(jié)果表明極靴隔磁槽可以顯著降低壓縮機(jī)在關(guān)鍵頻段的噪聲。