48 V微混電機(jī)電磁噪聲研究與分析

孫新函，黃凱兵，錢慧杰

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208)

0 引 言

車用電機(jī)噪聲水平是衡量汽車駕駛品質(zhì)的重要標(biāo)志之一。相比插電式混合和純電動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜、成本高，48 V微混系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，其節(jié)油效果可達(dá)10%～12%，已成為國內(nèi)外主機(jī)廠與零部件商研究的熱點(diǎn)。作為48 V微混系統(tǒng)核心部件之一，起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)(以下簡稱IBSG)電機(jī)承擔(dān)能量轉(zhuǎn)換工作，不僅可以發(fā)電，為車輛負(fù)載提供能量，也可以輔助車輛驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)能量回收。IBSG電機(jī)在電磁能量轉(zhuǎn)換過程中存在電磁噪聲，會直接影響到車輛的駕駛質(zhì)量與舒適性。因此，IBSG電機(jī)的噪聲研究是提升車輛性能的重要課題之一。

目前市場上主流的微混IBSG電機(jī)類型為爪極勵(lì)磁電機(jī)[1]、永磁同步電機(jī)、交流異步電機(jī)。交流異步電機(jī)相比其他兩種電機(jī)類型，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)，且節(jié)省了永磁體的使用，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。根據(jù)IBSG電機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，通常可分為電磁噪聲、機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲[2]，其中電磁噪聲影響尤為突出。本文主要分析48 V交流異步電機(jī)的電磁噪聲問題及抑制措施。

1 電磁噪聲機(jī)理及分析

在氣隙磁場產(chǎn)生作用于定子鐵心內(nèi)表面上的徑向電磁力，由徑向電磁力引起的徑向靜態(tài)變形量[3]：

式中：Astatic為靜態(tài)位移幅值；σ為徑向電磁力幅值；m為力波數(shù)。

考慮共振效應(yīng)的定子鐵心動(dòng)態(tài)徑向變形量可簡化表達(dá)：

式中：Adyn為動(dòng)態(tài)位移幅值；fexc為給定模態(tài)下的激發(fā)頻率；fres為特定模態(tài)下的固有頻率。

由式(1)和式(2)知，電磁力波和固有頻率是影響電機(jī)電磁噪聲的兩個(gè)重要因素。電機(jī)運(yùn)行過程中受電磁力作用，其諧波分量與機(jī)械固有頻率接近時(shí)引起共振，進(jìn)而產(chǎn)生電磁噪聲。電磁力波是電磁噪聲的激勵(lì)源。交流異步電機(jī)氣隙磁場中的諧波主要是定子齒諧波與轉(zhuǎn)子齒諧波，定子齒諧波主要是由基波磁動(dòng)勢和定子齒諧波磁導(dǎo)引起的，轉(zhuǎn)子齒諧波主要由基波磁動(dòng)勢和轉(zhuǎn)子齒諧波磁導(dǎo)引起。定轉(zhuǎn)子齒槽相互作用產(chǎn)生的諧波主要由基波磁動(dòng)勢和定轉(zhuǎn)子齒槽相互作用產(chǎn)生氣隙磁導(dǎo)引起[4]。

氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力分為徑向電磁力和切向電磁力。其中徑向電磁力使定子鐵心產(chǎn)生變形，是電磁噪聲的主要激勵(lì)源。切向電磁力是與電磁轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的反作用力[5]，它使定子齒根產(chǎn)生局部變形，在新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用中，對電磁噪聲影響同樣不可忽視。

需要強(qiáng)調(diào)的是，電磁力波幅值最大時(shí)，其引起的電磁噪聲不一定是最明顯的，原因是其力波階數(shù)較高；電磁力波幅值較小時(shí)，其引起的電磁噪聲可能很明顯，原因是其力波階數(shù)較低。在進(jìn)行電磁力波分析時(shí)，不能忽略力波階數(shù)，需綜合評估力波幅值與力波階數(shù)對電磁噪聲的影響。

2 電磁噪聲的改進(jìn)措施

電磁噪聲不僅影響車輛駕駛品質(zhì)，也影響人們的健康[6]，因此電磁噪聲的控制和改進(jìn)顯得尤為重要?；贗BSG電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文給出如下改進(jìn)電磁噪聲的措施[7]。

1)選擇合適的遠(yuǎn)槽配合設(shè)計(jì)，一般來說，近槽配合時(shí)，附加損耗小，但電磁噪聲大。采用磁動(dòng)勢諧波較小的正弦繞組，降低電磁力波的幅值；

2)縮小定子和轉(zhuǎn)子的槽開口寬度，增大氣隙來降低氣隙磁密等方式，降低電磁力波的幅值；

3)轉(zhuǎn)子單斜槽，使徑向力波沿電機(jī)長度方向的軸線上發(fā)生相位移，降低軸向平均徑向力，從而減小噪聲；

4)采用轉(zhuǎn)子雙斜槽[8]來解決軸向傳動(dòng)、附加轉(zhuǎn)矩和切向振動(dòng)問題，可以抵消轉(zhuǎn)子諧波轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而降低噪聲。本文采用的轉(zhuǎn)子雙斜槽形式如圖1所示。

5)增加傳遞路徑中的剛度與阻尼，避開機(jī)械固有頻率；

6)考慮制造和裝配影響，進(jìn)行工藝和制造控制，如定轉(zhuǎn)子同軸度、斜槽角度、滴漆涂敷等。

3 測試驗(yàn)證與分析

本文的IBSG電機(jī)類型為交流異步電機(jī)，并集成電機(jī)控制器。定子采用扁線設(shè)計(jì)以提高功率密度，轉(zhuǎn)子為鑄鋁轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上集成葉片用于冷卻電機(jī)，電機(jī)采用空間矢量控制。IBSG電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

通過前期仿真計(jì)算與分析，對比優(yōu)化了不同定轉(zhuǎn)子槽配合方案，最終選擇了定子48槽，轉(zhuǎn)子58槽方案。后續(xù)將重點(diǎn)圍繞轉(zhuǎn)子斜槽與提高定子模態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行測試分析。電機(jī)噪聲測試環(huán)境為半消音室，整個(gè)測試過程中在IBSG電機(jī)周邊布置了19個(gè)麥克風(fēng)，其測試臺架示意圖與實(shí)物圖分別如圖2和圖3所示。

3.1 轉(zhuǎn)子斜槽

本文初始方案為轉(zhuǎn)子直槽設(shè)計(jì)，直槽設(shè)計(jì)在某些階次電磁力波較大。以電機(jī)轉(zhuǎn)速2 160r/min、轉(zhuǎn)矩-10N·m發(fā)電工況為例，此時(shí)單個(gè)定子徑向力FFT分析如圖4(a)所示，1 807Hz、2 085Hz、2 363Hz這3個(gè)諧波分量較突出，其對應(yīng)的力波階數(shù)分別為50階、58階、66階。

式中：k50，k58，k66分別代表在該工況下諧波分量的力波階數(shù)。

為降低電磁噪聲，本文采用雙斜槽轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方案，通過轉(zhuǎn)子沿軸向扭轉(zhuǎn)一定角度使徑向力波軸向發(fā)生相位移，從而使軸向平均徑向力降低。圖4(b)，圖4(c)，圖4(d)分別是在轉(zhuǎn)速2 160r/min、扭矩-10N·m發(fā)電工況下轉(zhuǎn)子斜槽5.7°、6.2°、6.7°對應(yīng)的定子齒上的徑向電磁力波頻譜分析。

圖4 定子徑向力FFT

表2給出不同的轉(zhuǎn)子斜槽角度后，50階、58階和66階力波幅值變化。

表2 斜槽與電磁力波削弱對比表

從表2中可以看出，斜槽角度為6.2°(一個(gè)轉(zhuǎn)子齒距)是最佳角度。實(shí)際臺架測試也與理論分析一致，其測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同斜槽角度電磁噪聲曲線

3.2 提高定子模態(tài)

針對電機(jī)某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，提高定子模態(tài)可避開共振頻率，從而改善該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲水平，其中定子滴漆是提高定子模態(tài)的有效手段。本文在轉(zhuǎn)子雙斜槽6.2°的基礎(chǔ)上，改善滴漆工藝，通過定子槽切面分析及工藝驗(yàn)證，確保滴漆的填充率達(dá)到90%以上，滴漆量不足的樣件通過二次滴漆來進(jìn)一步提高定子模態(tài)。滴漆優(yōu)化前后的對比結(jié)果如圖6所示。通過臺架測試分析可知，滴漆工藝對電磁噪聲有明顯改善。

圖6 滴漆優(yōu)化前后對比曲線

4 結(jié) 語

本文主要研究了IBSG電機(jī)電磁噪聲問題，從產(chǎn)生機(jī)理到降低噪聲分析，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子斜槽和定子滴漆兩個(gè)方面可以明顯改善電機(jī)的電磁噪聲，大大提升了整車性能與駕駛體驗(yàn)。同時(shí)也為強(qiáng)混及純電驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)NVH噪聲抑制與改善提供了一定的借鑒作用。