電動汽車永磁電機(jī)產(chǎn)生振動的原因分析

李自強(qiáng) 張鳳營 馮麗佳

(1.唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063000；2.唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司，河北 唐山 063000)

1 電動汽車永磁電機(jī)產(chǎn)生振動的分類

永磁電機(jī)產(chǎn)生振動主要體現(xiàn)在空氣動力不足、機(jī)械振動和電磁振動3個方向，其中空氣動力產(chǎn)生振動主要是降溫風(fēng)扇的作用或者電機(jī)自身轉(zhuǎn)速不高的情況下產(chǎn)生，其對電動汽車的電機(jī)振動產(chǎn)生造成的影響不大；轉(zhuǎn)子自身偏心、軸承對中性差和電刷的安裝不對中等安裝過程產(chǎn)生的電機(jī)振動稱為機(jī)械振動，機(jī)械振動主要可通過提高轉(zhuǎn)子的加工精度，改善軸承和轉(zhuǎn)子安裝工藝水平進(jìn)行預(yù)防和調(diào)節(jié)；電動汽車永磁電機(jī)振動主要來源是電磁振動，其產(chǎn)生原因是電機(jī)定轉(zhuǎn)子間的電磁力作用產(chǎn)生，電機(jī)的電磁力不僅可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力矩，同時能夠引起定子和轉(zhuǎn)子變形，產(chǎn)生的振動影響力很大，會破壞電機(jī)的正常運(yùn)行，甚至產(chǎn)生較大破壞力，對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅[1]。

2 電磁力產(chǎn)生振動的原因

電動汽車永磁電機(jī)電磁力的產(chǎn)生由永磁體的磁場對定子鐵芯和轉(zhuǎn)子的作用，電機(jī)的電磁力主要受永磁體磁性、電樞繞組及氣隙磁密等影響，永磁體、電樞繞組以及電樞繞組和永磁體之間產(chǎn)生的氣隙磁場相互作用產(chǎn)生多頻和多維空間的電磁力諧波[2，3]。徑向不平衡電磁力、磁阻和互感轉(zhuǎn)矩與齒槽轉(zhuǎn)矩波動是電動汽車永磁電機(jī)電磁振動主要影響因素。文獻(xiàn)[4，5]對永磁電機(jī)徑向不平衡電磁力產(chǎn)生電磁振動進(jìn)行了研究分析，建立了振動方程進(jìn)行解析解分析和數(shù)值計(jì)算分析，分析電磁參數(shù)對永磁電機(jī)振動的影響，其中文獻(xiàn)[5]分析了3次超諧振動對電機(jī)轉(zhuǎn)子的影響。磁阻和互感轉(zhuǎn)矩波動頻率和齒槽轉(zhuǎn)矩的波動對永磁電機(jī)的不平衡電磁力也有較大的影響，文獻(xiàn)[6]通過分別對內(nèi)嵌式和表面貼式的極槽永磁電機(jī)進(jìn)行研究，得出磁阻和互感轉(zhuǎn)矩與齒槽轉(zhuǎn)矩的解析方程，分析了兩種方式電機(jī)振動的情況。電機(jī)的電流諧波對其電磁力的產(chǎn)生起絕對性的作用，因此永磁電機(jī)的電磁力和電機(jī)極數(shù)與齒槽的配合有著直接的關(guān)系，當(dāng)極數(shù)和齒槽出現(xiàn)誤差時，電機(jī)轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生較大的不平衡力。此外在電機(jī)的控制時，由于操作不當(dāng)或者電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)不合理也會對電磁力有影響引起電機(jī)的振動。

3 永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子在電磁力作用下的振動分析

永磁電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子在電磁力作用下會產(chǎn)生振動，其中定子的振動模型多為將定子理想為環(huán)型或殼型結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值計(jì)算或者有限元分析電磁力對定子系統(tǒng)的振動特性，文獻(xiàn)[7，8]分別是將定子看作環(huán)型結(jié)構(gòu)和殼型結(jié)構(gòu)，通過分析非線性的解析法對電磁力作用下的定子系統(tǒng)進(jìn)行解析，并分析電磁參數(shù)(勵磁電壓、勵磁電流、勵磁電感等參數(shù))及定子結(jié)構(gòu)參數(shù)(定子鐵芯長度、材質(zhì)等參數(shù))對系統(tǒng)的振動影響。定子的振動往往是一個機(jī)電耦合系統(tǒng)，其作用的存在是相互影響和制約的。在電機(jī)定子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試時，充分考慮影響其振動的影響因素，避免定子的振動引起電機(jī)的振動。

在對永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在電磁力作用下會產(chǎn)生振動分析時，專家學(xué)者通常將轉(zhuǎn)子看作絕對剛性的簡支梁結(jié)構(gòu)，通過對該模型進(jìn)行建模分析電磁力對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動影響，文獻(xiàn)[5]建立多頻激勵作用下的電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動方程，利用平均法對振動方程進(jìn)行解析，并通過數(shù)值計(jì)算分析轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)、電磁參數(shù)對系統(tǒng)共振的影響。文獻(xiàn)[9]針對文獻(xiàn)[5]所建立的多頻激勵作用的電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動方程，分析系統(tǒng)在3次超諧激勵作用下的振動情況，通過對比分析：電磁力的影響對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動影響較大，其中氣隙磁密改變對電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)共振區(qū)間影響不大，但隨著氣隙磁密的增加，轉(zhuǎn)子的振動幅值會降低；分析3次超諧共振時定子的鐵芯和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動幅值影響較大，電磁參數(shù)影響較??；在主共振系統(tǒng)分析時，其結(jié)論和3次超諧共振大致相同。電磁力作用下電動汽車永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究多是通過數(shù)值分析得到近似解進(jìn)行數(shù)值分析，得到結(jié)論多是和電磁參數(shù)對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動影響。因此，電磁力對永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的共振影響和氣隙磁密有著重要關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)語

電動汽車的永磁電機(jī)振動產(chǎn)生主要來源于空氣動力不足、機(jī)械振動和電磁振動3個方向，著重分析永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子在電磁力作用下的振動情況，電磁力的產(chǎn)生是永磁電機(jī)振動的主要原因，電動汽車永磁電機(jī)電磁力的產(chǎn)生由永磁體的磁場對定子鐵芯和轉(zhuǎn)子的作用，電機(jī)的電磁力主要受永磁體磁性、電樞繞組及氣隙磁密等影響，永磁體、電樞繞組以及電樞繞組和永磁體之間產(chǎn)生的氣隙磁場相互作用產(chǎn)生多頻和多維空間的電磁力諧波。電機(jī)振動的有效防御可以提高電動汽車的安全性能，對永磁電機(jī)振動的研究結(jié)果在電機(jī)的設(shè)計(jì)、加工制造及裝配方面有重要的指導(dǎo)意義。