低地板車輛永磁電機的電磁噪聲優(yōu)化研究

丁 杰，尹 亮

(湖南文理學院 機械工程學院，常德 415000)

0 引 言

低地板車輛具有節(jié)能環(huán)保、安全舒適、方便乘車與觀光等特點，受到人們的關(guān)注與歡迎[1]。然而，低地板車輛采用牽引變流器為永磁同步電機供電，其電流諧波對電機振動噪聲有重要影響，而且輕量化的車體與大面積玻璃窗設(shè)計以及地板非?？拷嗆壴肼曉?，使得牽引系統(tǒng)的噪聲容易傳遞至車廂內(nèi)部，影響乘坐體驗。

國內(nèi)外學者從理論分析、仿真計算和試驗測試等方面對牽引系統(tǒng)噪聲開展了大量研究。文獻[2]系統(tǒng)研究了多相電機的噪聲問題。文獻[3-4]為查找電動汽車內(nèi)置式永磁同步電機的主要振動噪聲源，首先對電磁力波特征參數(shù)和各階力波的諧波來源進行理論分析，再建立逆變器電流-電磁場-結(jié)構(gòu)場聯(lián)合仿真模型，分析不同工況電流諧波對電機振動噪聲特性的影響。文獻[5]由電機電磁力時空階次分析和氣隙電磁力的時空分解，提出電機電磁振動噪聲的準解析計算方法。文獻[6]結(jié)合有限元法與傅里葉分解進行電機振動噪聲仿真分析，得出電機運行中出現(xiàn)的振動噪聲問題主要由1、2、3階次對應(yīng)的2倍頻和4倍頻諧波分量引起。文獻[7]針對電動汽車永磁同步電機分別進行電磁場、模態(tài)、振動響應(yīng)和電磁噪聲仿真分析，得到可以降低電機振動噪聲的轉(zhuǎn)子優(yōu)化結(jié)構(gòu)。牽引變流器的輸出電流受脈寬調(diào)制的影響，包含開關(guān)頻率的倍頻及其邊頻帶的諧波，電機由此產(chǎn)生的窄帶噪聲會使人感到不適[8-9]。文獻[10]提出考慮電流諧波的永磁同步電機電磁振動和噪聲半解析模型。文獻[11]提出減小諧波降低電機噪聲的方法。文獻[12]分析永磁同步電機的諧波電壓與電流的耦合關(guān)系。文獻[13]提出電流諧波頻譜整形與隨機開關(guān)頻率脈寬調(diào)制相結(jié)合的矢量控制策略，對電機的降噪效果進行了理論分析與仿真驗證。

本文針對廣州市海珠區(qū)100%低地板車輛自主永磁電機存在噪聲過大、聲品質(zhì)差的問題，通過實驗測試自主永磁電機的振動噪聲特性，從IGBT開關(guān)頻率和控制模式等方面解析自主永磁電機電磁噪聲與自主牽引系統(tǒng)控制模式的關(guān)聯(lián)，為提高低地板車輛自主永磁電機噪聲水平和聲品質(zhì)提供指導。

1 電流諧波引起電磁力波的理論

永磁電機由牽引變流器供電時，不考慮鐵心磁阻及飽和的影響，l次電流諧波的氣隙磁通密度如下[2]：

Bpm+Bsl

(1)

式中：p為永磁電機極對數(shù)；θ為永磁電機機械角度；ω為基波磁勢角頻率；z為定子槽數(shù)；Bν/Λ0l和Bν/Λkl分別為平均磁導調(diào)制和開槽磁導調(diào)制產(chǎn)生的定子磁場氣隙磁密幅值；Bμ/Λ0和Bμ/Λk分別為平均磁導調(diào)制和開槽磁導調(diào)制產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場氣隙磁密幅值；Bpm為平均磁導調(diào)制和開槽磁導調(diào)制產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場；Bsl為平均磁導調(diào)制和開槽磁導調(diào)制產(chǎn)生的定子磁場。

根據(jù)麥克斯韋應(yīng)力張量法，忽略切向磁通密度時，單位面積上徑向電磁力波的瞬時值如式(2)所示。式(2)中：μ0為真空磁導率；ppm為轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生的徑向力波；ppm-sl為定轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的徑向力波；psl為定子磁場產(chǎn)生的徑向力波。

ppm+ppm-sl+psl

(2)

2 線路運行的永磁電機振動噪聲特性分析

2.1 低地板車輛的總體情況及測試說明

廣州市海珠區(qū)100%低地板有軌電車有效填補了公交系統(tǒng)與地鐵系統(tǒng)之間的運量空白。最初7列低地板車輛的牽引系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架由西門子公司提供，之后國內(nèi)的設(shè)備供應(yīng)商以此為原型，實現(xiàn)了車輛相關(guān)系統(tǒng)的自主開發(fā)與裝車應(yīng)用。

低地板車輛的牽引系統(tǒng)主要包括永磁電機、牽引變流器以及變流控制程序。永磁電機的額定功率為120 kW，極對數(shù)為8，冷卻方式為水冷，自主永磁電機和原型永磁電機的電氣參數(shù)、外形和質(zhì)量基本一致。原型牽引變流器為主輔一體化結(jié)構(gòu)，包含牽引變流、輔助變流功能以及蓄電池、網(wǎng)絡(luò)繼電模塊等。自主牽引變流器與充電機、蓄電池分別為獨立的柜體，其中的自主牽引變流器由超級電容組供電，額定輸入電壓為DC 750 V，額定輸出電流為500 A(基波有效值)，最大輸出電流1 000 A(基波有效值)。原型變流控制程序的具體策略不詳，僅知IGBT開關(guān)頻率為1 500 Hz。自主變流控制程序的具體策略：轉(zhuǎn)速范圍0～650 r/min采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)，IGBT開關(guān)頻率448 Hz；轉(zhuǎn)速范圍650～1 720 r/min采用Bang-Bang控制的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)，IGBT開關(guān)頻率630 Hz；轉(zhuǎn)速范圍1 720～1 960 r/min采用7個半波方波的同步控制；轉(zhuǎn)速范圍1960～2 070 r/min采用5個半波方波的同步控制；轉(zhuǎn)速范圍2 070～3 610 r/min采用3個半波方波的同步控制?；谠摬呗远鴧?shù)有所調(diào)整的自主變流控制程序已在地鐵車輛中大量應(yīng)用。

SVPWM是基于平均值等效原理，在一個開關(guān)周期內(nèi)對基本電壓矢量進行組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。電壓矢量在某一時刻旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域，可由組成該區(qū)域的兩個相鄰非零矢量和零矢量的不同組合得到，通過牽引變流器的不同開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生逼近于圓的磁通，具有輸出電流波形好、直流側(cè)電壓利用率高、調(diào)速范圍較寬等特點，但控制系統(tǒng)易受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響[14]。Bang-Bang控制是一種時間最優(yōu)控制，將狀態(tài)空間劃分為兩個區(qū)域，對應(yīng)的控制變量分別取正最大值和負最大值?；贐ang-Bang控制的DTC舍去較為復雜的旋轉(zhuǎn)坐標變換，對轉(zhuǎn)矩和磁鏈進行調(diào)解，具有轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、受電機參數(shù)影響較小等特點，但不可避免產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，影響系統(tǒng)低速性能。軌道交通領(lǐng)域牽引變流器的開關(guān)頻率通常較低，電機在高速區(qū)通常運行在方波工況，電壓幅值因達到最大值而失去調(diào)節(jié)能力，依靠調(diào)節(jié)電壓矢量角或方波數(shù)進行同步控制。

根據(jù)現(xiàn)場反映，與配備原型牽引系統(tǒng)的車輛相比，自主牽引系統(tǒng)在中低速階段存在噪聲過大、聲品質(zhì)差的問題，能明顯感受到較強烈的單頻尖叫聲，嚴重影響到駕乘體驗。為了分析配備自主牽引系統(tǒng)與原型牽引系統(tǒng)的噪聲特性差異，采用B&K數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)開展低地板車輛實際線路中低速運行的振動噪聲測試。振動測點V1～V4分別布置在永磁電機殼體、齒輪箱殼體、動車轉(zhuǎn)向架上端地板和拖車轉(zhuǎn)向架上端地板。噪聲測點N1～N5分別布置在永磁電機外殼附近、齒輪箱附近、拖車轉(zhuǎn)向架、動車轉(zhuǎn)向架端的車內(nèi)和拖車轉(zhuǎn)向架端的車內(nèi)。圖1為振動噪聲測試實物圖。振動測試頻率取6.4 kHz，噪聲測試頻率取25.6 kHz。線路測試中，采用沙袋模擬載客，由起點至終點為起程工況，由終點至起點為回程工況，車輛行駛最高速度為30 km/h，起程和回程工況中又包括牽引提速、牽引勻速、惰行和制動減速等工況。

圖1 振動噪聲測試實物圖

2.2 自主牽引系統(tǒng)與原型牽引系統(tǒng)的噪聲對比分析

圖2為線路測試條件下，自主牽引系統(tǒng)各測點在中低速全工況內(nèi)的A計權(quán)總聲壓級，以及測點N1和N4的聲壓級時間-頻率-幅值色譜圖(時頻圖)，其余測點的噪聲測試結(jié)果未列出。由圖2可以看出：(1)車外噪聲最大工況為30 km/h牽引勻速工況，其噪聲的主要成分為永磁電機轉(zhuǎn)速48階次(1 242 Hz)噪聲，此外在18的公倍數(shù)頻次可見較為明顯的階次成分(永磁電機電磁噪聲成分為6的整數(shù)倍階次成分，齒輪嚙合激勵為9整數(shù)倍階次成分)；(2)車內(nèi)噪聲主要成分是由電磁激勵引起的永磁電機轉(zhuǎn)速48階次(1 242 Hz)噪聲，其余主要成分為16階、32階電磁力波激勵永磁電機殼體誘發(fā)的結(jié)構(gòu)輻射噪聲以及電磁諧波對1倍IGBT開關(guān)頻率fsw(448 Hz)調(diào)幅產(chǎn)生電磁激勵所引起的結(jié)構(gòu)輻射噪聲。

圖2 自主永磁電機的噪聲特性

圖3為線路測試條件下，自主牽引系統(tǒng)測點N1、N4與原型牽引系統(tǒng)測點N1、N4在中低速全工況內(nèi)的A計權(quán)總聲壓級，以及原型牽引系統(tǒng)測點N1、N4的聲壓級時頻圖。值得指出的是，由于分別針對配備了自主牽引系統(tǒng)和原型牽引系統(tǒng)低地板車輛的測試計時時刻，以及不同牽引系統(tǒng)對整車運行速度控制方式的差異，圖3(a)中不同時刻對應(yīng)的低地板車輛運行工況有一定差異。例如，配備自主牽引系統(tǒng)的低地板車輛，16 s時開始牽引提速，49～60 s時處于惰行工況；而配備原型牽引系統(tǒng)的低地板車輛，4 s時開始牽引提速，66～76 s時處于惰行工況。因此，在進行兩種牽引系統(tǒng)的振動噪聲特性對比時，需要結(jié)合對應(yīng)的工況來分析。

圖3 原型永磁電機的噪聲特性

對比分析圖2、圖3可知：(1)牽引工況下，自主牽引系統(tǒng)的車外噪聲聲壓級總體而言比原型牽引系統(tǒng)高3～5 dB(A)，車內(nèi)噪聲總體上高出4～7 dB(A)；(2)惰行工況下，自主牽引系統(tǒng)的車內(nèi)和車外噪聲聲壓級與原型牽引系統(tǒng)大體相當，因此，自主牽引系統(tǒng)與原型牽引系統(tǒng)由輪軌激勵等引起的機械噪聲水平相當，說明兩車的噪聲差異主要為永磁電機電磁激勵所引起的結(jié)構(gòu)輻射噪聲；(3)原型牽引系統(tǒng)的車外噪聲最大工況同樣為30 km/h牽引勻速工況，其最主要階次成分為永磁電機轉(zhuǎn)速的72階次成分，與自主牽引系統(tǒng)不同，由于永磁電機電磁噪聲較小的緣故，其輪軌寬頻激勵噪聲所占比重更大，但總體而言原型牽引系統(tǒng)的輪軌激勵噪聲大小與自主牽引系統(tǒng)持平；(4)原型牽引系統(tǒng)車內(nèi)噪聲主要為電磁激振力波引起的低頻結(jié)構(gòu)輻射噪聲(16階次)和輪軌噪聲，且量級較小，其高頻電磁激勵結(jié)構(gòu)輻射噪聲貢獻量非常小。

2.3 自主牽引系統(tǒng)與原型牽引系統(tǒng)的振動對比分析

圖4為線路測試條件下，自主牽引系統(tǒng)測點V1～V3在中低速全工況內(nèi)的振動加速度有效值，以及測點V1的橫向振動加速度時頻圖。結(jié)合前面的噪聲圖可以看出：(1)自主永磁電機的噪聲聲壓級與自主永磁電機殼體的振動加速度有效值隨工況的變化趨勢基本一致，這進一步說明自主永磁電機電磁激勵所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲為車內(nèi)和車外噪聲的主導聲源(貢獻量最大)；(2)整個頻域內(nèi)，由于自主牽引系統(tǒng)的IGBT開關(guān)頻率低，其對應(yīng)的電流質(zhì)量差，諧波成分更為復雜，因此，其電磁激振力波成分更為復雜，對應(yīng)的振動和噪聲成分也更為復雜；也由于IGBT開關(guān)頻率較低，對應(yīng)電流諧波的低階次成分也顯得尤為突出，是導致自主永磁電機48階次成分過大的主要原因之一，而且各倍頻之間在頻域上相距很近，使得在人耳敏感的頻域范圍內(nèi)，IGBT的調(diào)幅噪聲頻帶密集，進一步增大了自主永磁電機的電磁激勵結(jié)構(gòu)輻射噪聲。

圖4 自主永磁電機外殼的振動特性

圖5為線路測試條件下，原型牽引系統(tǒng)測點V1在中低速全工況內(nèi)的振動加速度有效值和橫向振動加速度時頻圖。

圖5 原型永磁電機外殼的振動特性

對比分析圖4、圖5可知：(1)牽引工況下，自主牽引系統(tǒng)的電機殼體振動加速度為原型牽引系統(tǒng)電機的1.5～2倍，明顯大于原型牽引系統(tǒng)的電機殼體振動；惰行工況下兩車振動量級相當，兩車由輪軌激勵及其他機械激勵產(chǎn)生的振動水平相當；自主牽引系統(tǒng)的車內(nèi)地板振動與自主永磁電機殼體振動的相關(guān)性高于原型牽引系統(tǒng)，即自主牽引系統(tǒng)的電機對車內(nèi)振動貢獻量大于原型牽引系統(tǒng)；(2)原型牽引系統(tǒng)對速度控制的穩(wěn)定性明顯高于自主牽引系統(tǒng)，而人耳對時變噪聲的敏感程度也要高于恒定頻段的噪聲；(3)自主和原型兩個牽引系統(tǒng)的控制策略對電機在恒速工況的振動噪聲量級和頻段影響較小，但在牽引提速和制動減速工況能觀察到較為明顯的差異性。

2.4 開關(guān)頻率對自主永磁電機噪聲的影響

通過前面的分析可知，IGBT開關(guān)頻率過低是導致自主永磁電機噪聲過大、聲品質(zhì)差的重要因素。為闡明IGBT開關(guān)頻率對自主永磁電機電磁噪聲的影響，并考慮到IGBT開關(guān)頻率不能太高，否則會導致IGBT器件損耗過大、溫升過高，結(jié)合自主牽引變流器的溫升裕量，將轉(zhuǎn)速范圍0～1 720 r/min的IGBT開關(guān)頻率分別調(diào)整為780 Hz和960 Hz，針對配備自主牽引系統(tǒng)的低地板車輛分別開展這兩種IGBT開關(guān)頻率下的線路中低速運行測試。

圖6 不同開關(guān)頻率下測點N1和N4的聲壓級對比

圖6為不同開關(guān)頻率下起程工況測點N1和N4的A計權(quán)聲壓級變化曲線。可以看出：(1)牽引勻速工況下，提高IGBT開關(guān)頻率，車內(nèi)噪聲體現(xiàn)為與輪軌機械噪聲對應(yīng)的噪聲成分不變，較自主永磁電機電磁噪聲對應(yīng)的成分減小2～4 dB(A)，但由于電磁噪聲體現(xiàn)為單一頻率的高頻噪聲，對車內(nèi)的聲品質(zhì)仍有較明顯的影響。

圖7為IGBT開關(guān)頻率780 Hz時起程工況測點N1和N4的聲壓級時頻圖，起程工況其他IGBT開關(guān)頻率以及回程工況不同IGBT開關(guān)頻率的結(jié)果未列出。由圖7可知：(1)自主永磁電機噪聲主要成分為對應(yīng)于2fsw的頻率成分和48階次(相對于轉(zhuǎn)速基頻)電磁力波成分，其中48階次電磁噪聲頻率單一，根據(jù)現(xiàn)場的直接反饋，體現(xiàn)為尖銳的叫聲，為影響人主觀感受的最為主要的因素；(2)隨著IGBT開關(guān)頻率提高，電流品質(zhì)更好，其頻譜顯得更為純凈，且對應(yīng)于DTC的持續(xù)時間更短，但同時由于能量更為集中，其在對應(yīng)于IGBT開關(guān)頻率偶數(shù)倍頻時的噪聲幅值有偏大趨勢，例如IGBT開關(guān)頻率為960 Hz時的電磁噪聲較780 Hz時要大一些；(3)提高IGBT開關(guān)頻率對于自主永磁電機和車內(nèi)電磁噪聲能取得較好的降噪效果，但車廂仍存在較高的對應(yīng)于2fsw的單一頻率的電磁噪聲，聲品質(zhì)較差，其車外噪聲仍高達95～97 dB(A)，要想從根本上解決車內(nèi)噪聲過大及聲品質(zhì)差的問題，需從變流控制程序入手，厘清自主永磁電機電磁噪聲與控制模式的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖7 開關(guān)頻率780 Hz時起程工況的聲壓級時頻圖

3 自主永磁電機噪聲與控制模式的關(guān)聯(lián)關(guān)系

3.1 總聲壓級的對比分析

為了解析自主永磁電機電磁振動噪聲與變流控制策略和算法的關(guān)聯(lián)關(guān)系，尋求IGBT開關(guān)頻率與自主永磁電機結(jié)構(gòu)模態(tài)的優(yōu)化匹配方法，在試驗臺架上開展不同控制模式和不同開關(guān)頻率下的測試及分析工作。具體如下：將自主永磁電機轉(zhuǎn)速范圍0～1 720 r/min的IGBT開關(guān)頻率依次設(shè)置為630 Hz、780 Hz和960 Hz，其中，轉(zhuǎn)速范圍0～650 r/min均采用SVPWM一種控制模式，轉(zhuǎn)速范圍650～1 720 r/min則分別采用DTC和SVPWM兩種控制模式，1 720 r/min以上轉(zhuǎn)速的控制模式不作調(diào)整。噪聲測點位于永磁電機左側(cè)0.5 m和頂部0.5 m處。試驗臺架測試現(xiàn)場如圖8所示。

圖8 試驗臺架測試

圖9 650～1 720 r/min采用DTC的噪聲測試結(jié)果

圖9和圖10為不同控制模式與開關(guān)頻率下自主永磁電機左側(cè)測點的總聲壓級隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，以及開關(guān)頻率780 Hz的轉(zhuǎn)速-頻率-幅值色譜圖(簡稱為轉(zhuǎn)頻圖)?？梢园l(fā)現(xiàn)：(1)轉(zhuǎn)速范圍0～650 r/min，采用fsw為960 Hz的噪聲量級比fsw為630 Hz小6～10 dB(A)，究其原因是對應(yīng)于630 Hz的2倍開關(guān)頻率的電磁激振力波與自主永磁電機1 260 Hz附近的結(jié)構(gòu)模態(tài)產(chǎn)生耦合共振的緣故，而當fsw為960 Hz時能較好地避免2倍IGBT開關(guān)頻率與電磁激振力波的耦合共振；(2)轉(zhuǎn)速范圍650～1 720 r/min，采用DTC控制模式的頻譜特性差異受開關(guān)頻率的影響較小，而采用SVPWM控制模式時，提高IGBT開關(guān)頻率有利于降低自主永磁電機的電磁噪聲，設(shè)置IGBT開關(guān)頻率為780 Hz和960 Hz時自主永磁電機的噪聲相對于630 Hz降低4～8 dB(A)。

圖10 650～1 720 r/min采用SVPWM的噪聲測試結(jié)果

3.2 階次噪聲的對比分析

為了比較不同控制模式對自主永磁電機電磁噪聲的影響，闡明自主永磁電機結(jié)構(gòu)模態(tài)特性與IGBT開關(guān)頻率的匹配關(guān)系對電機振動噪聲的影響，圖11給出了不同控制模式和IGBT開關(guān)頻率下自主永磁電機18階次電磁噪聲曲線，36、54、72、90和108等階次電磁噪聲曲線未列出。由不同階次的電磁噪聲曲線對比可知：(1)轉(zhuǎn)速范圍0～800 r/min內(nèi)，由于自主永磁電機電磁力波階次分量較小且頻率低，與自主永磁電機結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合較小，此時控制模式對自主永磁電機電磁噪聲的影響較?。晦D(zhuǎn)速范圍800～2 200 r/min內(nèi)采用SVPWM的自主永磁電機電磁階次噪聲明顯小于采用DTC的情況，其主要原因是電磁力波分量較小的緣故；總體而言，控制模式對自主永磁電機階次噪聲的影響較大，采用SVPWM的電磁噪聲小于DTC，但由于兩者對自主永磁電機電磁力波的階次分量存在一定的影響，在某特定轉(zhuǎn)速工況(存在階次電磁力波與結(jié)構(gòu)的耦合共振)，采用SVPWM模式的電磁噪聲反而更大；(2)IGBT開關(guān)頻率對自主永磁電機階次噪聲的影響較小，其主要影響在于2fsw對應(yīng)的噪聲；(3)SVPWM和DTC控制模式皆存在對應(yīng)于1 580 r/min的電磁噪聲峰值，其主要成分為68階次電磁噪聲，此時采取改變IGBT開關(guān)頻率和控制模式的方法對降低該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲效果非常有限，可適當降低該轉(zhuǎn)速附近的力矩來降低電磁噪聲；(4)當電機轉(zhuǎn)速高于2 000 r/min，自主永磁電機電磁噪聲貢獻量最大的成分為18階次電磁噪聲，其中18階次電磁噪聲主要來源之一為2fsw對應(yīng)的噪聲，對其與自主永磁電機結(jié)構(gòu)模態(tài)的優(yōu)化匹配能較大的降低永磁電機在高轉(zhuǎn)速工況的振動噪聲。

圖11 不同控制模式及開關(guān)頻率的自主永磁電機階次噪聲

根據(jù)自主永磁電機階次噪聲的峰值頻率可換算出自主永磁電機的結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率，如表1所示。

表1 自主永磁電機的結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率

4 牽引系統(tǒng)控制模式的優(yōu)化

4.1 優(yōu)化策略和邏輯

從上文的分析可以發(fā)現(xiàn)，自主永磁電機SVPWM牽引低速段，其電磁噪聲的大小取決于2fsw對應(yīng)的電磁噪聲，在該階段自主永磁電機電磁噪聲的控制方式主要為選擇合適的IGBT開關(guān)頻率避免對應(yīng)于2fsw的電磁力波與自主永磁電機結(jié)構(gòu)模態(tài)的耦合共振，使其盡量落在噪聲頻響函數(shù)的波谷位置。

SVPWM牽引中速段，其電磁噪聲大小由2fsw電磁噪聲與階次電磁噪聲共同決定，此時對自主永磁電機電磁噪聲的控制可從兩個方面著手：(1)選擇合適的IGBT開關(guān)頻率避免耦合共振；(2)選擇合適的控制模式，減小與結(jié)構(gòu)模態(tài)發(fā)生耦合的電磁力波階次分量，在多數(shù)情況下，采用SVPWM模式較DTC模式的電磁力波分量小，在某些特定工況存在DTC模式更優(yōu)的情況。

同步牽引工況，自主永磁電機電磁噪聲大小同樣由2fsw電磁噪聲與階次電磁噪聲兩者共同決定，然而此時IGBT開關(guān)頻率由自主永磁電機轉(zhuǎn)速決定，其效果相當于自主永磁電機極對數(shù)與正弦半波方波數(shù)2倍的階次噪聲，此時自主永磁電機電磁噪聲的控制同樣可從兩個方面入手：(1)根據(jù)自主永磁電機的結(jié)構(gòu)模態(tài)分布，在不同速度范圍內(nèi)選擇合適的半波方波數(shù)，盡量避免2倍IGBT開關(guān)頻率隨轉(zhuǎn)速的控制曲線與自主永磁電機結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率耦合；(2)針對階次電磁力波與結(jié)構(gòu)模態(tài)產(chǎn)生耦合共振的轉(zhuǎn)速工況，在其兩端相鄰轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)適當降低其轉(zhuǎn)矩，此外，需要合理設(shè)定自主永磁電機的恒速工況點，使恒速工況點落在自主永磁電機共振范圍外。

4.2 優(yōu)化方案

根據(jù)上述優(yōu)化策略和邏輯，結(jié)合實際的噪聲測試結(jié)果和自主永磁電機的模態(tài)頻率及階次噪聲特性，對牽引系統(tǒng)的控制邏輯和算法進行優(yōu)化，如圖12所示。具體的優(yōu)化措施如下：

圖12 自主永磁電機控制的優(yōu)化方案

優(yōu)化方案1：轉(zhuǎn)速范圍0～1 000 r/min采用SVPWM和IGBT開關(guān)頻率960 Hz，優(yōu)化依據(jù)是根據(jù)試驗在規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電磁噪聲最小，無2fsw電磁力波與結(jié)構(gòu)耦合共振現(xiàn)象，相對于變流控制程序噪聲降低0.5～3 dB(A)；轉(zhuǎn)速范圍1 000～1 960 r/min采用SVPWM和IGBT開關(guān)頻率780 Hz，優(yōu)化依據(jù)是根據(jù)試驗在規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電磁噪聲綜合最優(yōu)，無2fsw電磁力波與結(jié)構(gòu)耦合共振現(xiàn)象，與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耦合共振的電磁力波階次分量小，相對于原有變流控制程序(2fsw電磁力波與結(jié)構(gòu)耦合共振現(xiàn)象，電磁力波階次分量大，與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耦合共振)，噪聲降低2～10 dB(A)；轉(zhuǎn)速范圍1 960～2 070 r/min采用7個半波方波的同步控制，優(yōu)化依據(jù)是變流控制程序2fsw電磁力波與自主永磁電機1 215 Hz、1 255 Hz和980 Hz這3階模態(tài)耦合共振，優(yōu)化后不存在耦合共振，噪聲降低2～10 dB(A)；轉(zhuǎn)速范圍2 070～2 300 r/min采用5個半波方波的同步控制，優(yōu)化依據(jù)是變流控制程序2fsw電磁力波與自主永磁電機628 Hz和669 Hz這兩階模態(tài)耦合共振，優(yōu)化后僅1 068 Hz階模態(tài)存在耦合共振，然而自主永磁電機模態(tài)頻率高、模態(tài)剛度大、輻射噪聲相對而言較小，噪聲降低3～8 dB(A)；轉(zhuǎn)速范圍2 300～3 610 r/min采用3個半波方波的同步控制，優(yōu)化依據(jù)是與原方案保持一致，根據(jù)試驗雖然2fsw電磁力波與結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率存在多階次耦合，然而其振動量級相對較小，噪聲在可接受范圍內(nèi)。

優(yōu)化方案2：在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)速范圍650～1 000 r/min采用DTC和IGBT開關(guān)頻率690 Hz，優(yōu)化依據(jù)是減小740 r/min和950 r/min兩處共振峰值，噪聲降低2～3 dB(A)。

根據(jù)上述優(yōu)化方案，自主永磁電機在整個運行工況內(nèi)，其噪聲幅值基本可控制在95 dB(A)以內(nèi)，相對于原變流控制程序噪聲預計可整體下降6 dB(A)，低速工況峰值工況可降低10 dB(A)。然而，自主永磁電機在轉(zhuǎn)速1 570 r/min時存在由68階次電磁力波與自主永磁電機1 790 Hz模態(tài)的耦合共振的電磁噪聲峰值，聲壓級高達98 dB(A)，因此建議增加一環(huán)邏輯控制，當自主永磁電機轉(zhuǎn)速在1 530～1 610 r/min范圍內(nèi)，將牽引力矩減小為原有牽引力矩的0.5倍，噪聲預計可降低3～4 dB(A)。此外，在恒速牽引階段，可將轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 610 r/min，其對應(yīng)速度為30.8 km/h，此時噪聲可下降6～7 dB(A)。

4.3 優(yōu)化方案的驗證

為了驗證優(yōu)化方案的實際降噪效果，在試驗臺架上開展不同優(yōu)化方案的測試。圖13為不同優(yōu)化方案的自主永磁電機電磁噪聲對比。相比于原變流控制程序，經(jīng)過優(yōu)化后自主永磁電機在中低速段(速度小于35 km/h)的電磁噪聲總聲壓級下降4～10 dB(A)，在高速階段(35 km/h～50 km/h)的噪聲水平兩者相當，除1 800 r/min附近共振轉(zhuǎn)速工況，總聲壓級基本位于95 dB(A)以下，總體噪聲水平良好。

圖13 不同優(yōu)化方案的自主永磁電機電磁噪聲對比

5 結(jié) 論

(1)自主牽引系統(tǒng)的IGBT開關(guān)頻率過低，自主永磁電機電磁噪聲主要成分對應(yīng)于DTC的48階次電磁力波成分，車內(nèi)噪聲的主要成分為低頻輪軌機械噪聲和對應(yīng)于DTC的48階次電磁力波的噪聲成分，后者體現(xiàn)為尖銳的叫聲，為影響人主觀感受的主要因素；

(2)采用SVPWM時，IGBT開關(guān)頻率對永磁電機和車內(nèi)電磁噪聲的影響較大；而采用DTC時，IGBT開關(guān)頻率對自主永磁電機和車內(nèi)電磁噪聲的影響較小；

(3)采用SVPWM并選擇合適的IGBT開關(guān)頻率，經(jīng)過優(yōu)化后在中低速段(速度小于35 km/h)自主永磁電機電磁噪聲總聲壓級下降4～10 dB(A)，總聲壓級基本位于95 dB(A)以下，總體噪聲水平良好。