輪轂電機(jī)噪聲研究

楊 烈

(大慶石化熱電廠,黑龍江大慶 163000)

0 引言

輪轂電機(jī)噪聲主要包括電磁噪聲、摩擦噪聲和結(jié)構(gòu)傳動(dòng)噪聲。電機(jī)定轉(zhuǎn)子啟動(dòng)后,相互磁場作用,產(chǎn)生徑向和切向電磁波力,如果該力與機(jī)座外殼固有頻率相近就會(huì)產(chǎn)生共振,使電機(jī)劇烈振動(dòng),產(chǎn)生非常刺耳噪聲;定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中也會(huì)有部件間互相沖突現(xiàn)象,引起結(jié)構(gòu)傳動(dòng)噪聲,因此,需要建立計(jì)算模型,優(yōu)化結(jié)構(gòu),降低電機(jī)噪聲。

1 研究現(xiàn)狀

在輪轂內(nèi)布置電機(jī),其中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)致使共振的頻率變寬、且道路上的惡劣環(huán)境問題都會(huì)引起其中電機(jī)的振動(dòng)問題更加嚴(yán)重。電機(jī)振動(dòng)的原因一般分為兩種,結(jié)構(gòu)共振與電磁激勵(lì)兩種結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)共振即為電機(jī)中的機(jī)械之間發(fā)生了振動(dòng),機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了噪聲,引起噪聲的產(chǎn)生比較復(fù)雜。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)中的定子、轉(zhuǎn)子、軸承的異常、不平衡與其氣隙的不均、等原因會(huì)引起機(jī)械噪聲,其中包括了轉(zhuǎn)動(dòng)中的軸承所產(chǎn)生的噪聲、轉(zhuǎn)動(dòng)中的部件與靜止中的部件之間摩擦產(chǎn)生的噪聲、以及電機(jī)內(nèi)部的零部件因?yàn)闄C(jī)械受力不均勻引發(fā)的噪聲和電機(jī)的整體共振頻率相關(guān)的噪聲。

從電機(jī)的加工、裝配、尺寸、等方面進(jìn)行分析可以得出,噪聲與振動(dòng)和電機(jī)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)有關(guān)。因此通過配合電機(jī)中的電磁結(jié)構(gòu)與冷卻系統(tǒng),以此來增加部件的硬度,從而從根源上減少電機(jī)振動(dòng)的噪聲;提升電機(jī)中各部件的精度,對(duì)其中起到支撐作用的部件進(jìn)行加強(qiáng)固定,保證部件的承受強(qiáng)度,以此減少因?yàn)楣收隙a(chǎn)生的噪聲。

因此本文從電機(jī)設(shè)計(jì)、噪聲抑制分析、電機(jī)性能仿真等角度入手,研究降低噪聲方法。

2 電機(jī)設(shè)計(jì)

以10kW電機(jī)為研究對(duì)象,電機(jī)最高效率≥95%,額定轉(zhuǎn)速500r/min,最高轉(zhuǎn)速1500r/min,額定轉(zhuǎn)矩191Nm。為方便安裝,電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)、外徑分別為285mm,320mm。依據(jù)式(1)計(jì)算電機(jī)氣隙長度。

(1)

考慮到電機(jī)長時(shí)間過載運(yùn)行情況,以及經(jīng)驗(yàn)漏磁系數(shù),因此,計(jì)算可得氣隙長度為2.3mm,由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括表貼式和內(nèi)置式兩種,從加工、裝配工藝考慮可優(yōu)先選擇表貼式,操作簡單,安全可靠。

電機(jī)極槽的選擇需要考慮到輪轂電機(jī)是和車輪直接連接,轉(zhuǎn)速不能過高,一般采用多極電機(jī)。通常極數(shù)越多,鐵耗就越多,電機(jī)成本增加,在滿足輸出要求情況下,應(yīng)當(dāng)選擇低極數(shù)。槽數(shù)越多電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)較低,電機(jī)在負(fù)載情況下運(yùn)行就可能越穩(wěn)定,因此,需要選擇最佳極槽配合,本文經(jīng)過計(jì)算10極36槽最佳。

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)輪轂電機(jī)徑向電磁力的頻率和諧波之間的關(guān)系,并且徑向電磁力是引起電機(jī)電磁產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因,而徑向電磁力是轉(zhuǎn)子的永磁磁場和定子的電樞反應(yīng)磁場互相作用之下產(chǎn)生的。由此得出結(jié)論,要對(duì)電機(jī)的電磁構(gòu)造路進(jìn)改造行優(yōu)化,以此削弱電機(jī)的徑向電磁力,完成對(duì)電機(jī)的振動(dòng)噪聲進(jìn)行優(yōu)化的目的[1]。

輪轂電機(jī)繞組分為整數(shù)槽和分?jǐn)?shù)槽兩種,分?jǐn)?shù)槽優(yōu)點(diǎn)是端部短,損耗較低,效率較佳,缺點(diǎn)是會(huì)引起電機(jī)諧波磁動(dòng)勢(shì),造成共振。整數(shù)槽優(yōu)點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)矩大,缺點(diǎn)是槽數(shù)多,端部跨距長,效率低?？紤]到電機(jī)安裝空間有限,以及降低齒槽轉(zhuǎn)矩方面,采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組。

每相導(dǎo)體數(shù)計(jì)算見式(2),電流見式(3),每槽導(dǎo)體數(shù)見式(4),考慮到減少三次諧波,電機(jī)采用Y型接線。

(2)

(3)

(4)

3 噪聲抑制分析

對(duì)10kW的輪轂電機(jī)進(jìn)行仿真模擬,從而對(duì)其振動(dòng)噪聲進(jìn)行分析,輪轂電機(jī)參數(shù)見表1。

表1 輪轂電機(jī)參數(shù)

對(duì)電機(jī)模態(tài)進(jìn)行仿真,計(jì)算前4階位移云圖,對(duì)比轉(zhuǎn)子和定子模態(tài)固有頻率,見表2,可以發(fā)現(xiàn)相差皆大于10%,說明電機(jī)不可能發(fā)生共振。

表2 模態(tài)固有頻率

人類耳朵可以接收到在 20Hz到20kHz之間的振動(dòng)波的頻率,即為人類可以聽見的聲音頻率的區(qū)間。人類耳朵對(duì)聲音大小的感覺和聲壓值是成正比的,因此可以使用聲壓代替人耳聽覺感作為量值來判斷聲音大小。電機(jī)在設(shè)計(jì)過程中,工程師要根據(jù)電機(jī)的噪音特征,正確進(jìn)行削弱電機(jī)噪聲所產(chǎn)生的影響[2]。

電機(jī)產(chǎn)生的噪聲物理量度有—聲功率級(jí);聲壓、聲強(qiáng)級(jí)、頻譜曲線、響度和響度級(jí)幾種。對(duì)電機(jī)產(chǎn)生噪聲的仿真模擬模型要選擇電機(jī)形成包絡(luò)面的外層結(jié)構(gòu)。根據(jù)機(jī)殼的觀測點(diǎn)的聲壓級(jí)頻譜曲線進(jìn)行分析,通過ANSYS電磁進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)電機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)相應(yīng)的圓柱體,設(shè)計(jì)噪聲空氣為傳播媒介,進(jìn)行輪轂電機(jī)產(chǎn)生噪聲的仿真模擬,噪聲場仿真結(jié)果見圖1。

圖1 額定工作狀態(tài)下噪聲場

圖1中可得出,額定狀態(tài)中,噪聲的最高值主要發(fā)生在 375Hz,583Hz 以及916Hz周圍,參照我國國標(biāo)文件《旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測定方法及限值第3 部分:噪聲限值》之中對(duì)電機(jī)的振動(dòng)噪聲的規(guī)定,結(jié)合汽車輪轂電機(jī)實(shí)際的情況,其中要求輪轂電機(jī)聲壓級(jí)應(yīng)在60dB之下,由此得出,最初方案的電機(jī)所產(chǎn)生的噪聲值并沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)方面

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有表貼式和內(nèi)置式兩種,見圖2、圖3,內(nèi)置式能可以調(diào)整不對(duì)稱磁路,提升電機(jī)性能,缺點(diǎn)是磁路磁漏和內(nèi)置式加工、裝配工藝復(fù)雜,難度高,而表貼式結(jié)構(gòu)簡單,漏磁低,且同輸出轉(zhuǎn)矩,電機(jī)重量輕。

圖2 內(nèi)置式

圖3 表貼式

對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果,表貼式電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)脈動(dòng)為2%,內(nèi)置式為6%;表貼式電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩為0.4N/m,內(nèi)置式為1.2,因此綜合考慮,表貼式優(yōu)于內(nèi)置式。

3.2 極弧系數(shù)方面

極弧系數(shù)不同會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩不同,因此仿真不同極弧系數(shù)下,由轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變化引起的電機(jī)噪聲結(jié)果,見圖4,從圖中可以看出0.75極弧系數(shù)下,電機(jī)噪聲最低,因此極弧系數(shù)選擇0.75。

圖4 電機(jī)噪聲結(jié)果

3.3 定子沖片開槽方面

定子沖片開槽會(huì)引起轉(zhuǎn)子磁路的改變,圖5、圖6分別為單槽和雙槽結(jié)構(gòu),槽的數(shù)量和槽的尺寸皆能改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性和噪聲特性。

圖5 單槽

圖6 雙槽

對(duì)比不同無槽和單槽聲壓級(jí),見圖7,可以看出單槽結(jié)構(gòu)電機(jī)噪聲低,這是因?yàn)檩o助槽增加對(duì)降低徑向電磁力波有利,槽口寬度太小,效果不佳,因此,槽口不能太小,但也不能太寬,因?yàn)樘珜挄?huì)對(duì)磁路造成影響,因此,一般在1mm～4mm之間。

雙槽結(jié)構(gòu)又分兩種情況,一種是等寬結(jié)構(gòu),一種是不等寬結(jié)構(gòu),不等寬結(jié)構(gòu)有利于調(diào)節(jié)磁路,因此,本文選擇不等寬結(jié)構(gòu),槽口大小分別為1.5mm和4mm,從圖中可以看出,在750Hz以下,不對(duì)稱雙槽結(jié)構(gòu)噪聲最低。

4 電機(jī)性能仿真分析

輪轂電機(jī)模型見圖8,采用ANSYS進(jìn)行仿真分析。

空載時(shí)電機(jī)磁力線和磁密分布無異常,空載線反電動(dòng)勢(shì)見圖9,有效值為367V,對(duì)曲線進(jìn)行分解,計(jì)算出7次諧波最高,為基波的0.73%,其余皆較低。齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車非平穩(wěn)運(yùn)行,造成汽車舒適感下降。經(jīng)過計(jì)算,齒槽轉(zhuǎn)矩占額定轉(zhuǎn)矩比例為0.15%,且幅值較小,為0.33Nm。

圖9 反電動(dòng)勢(shì)波形

負(fù)載運(yùn)行時(shí),根據(jù)電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)GB/T 18488技術(shù)要求規(guī)定,電機(jī)電機(jī)效率高于或等于 80%的工作區(qū)間為電機(jī)運(yùn)行的高效區(qū)。電機(jī)負(fù)載效率分布見圖10,通過計(jì)算10kW電機(jī),電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩為190Nm,從圖中可以看出,在轉(zhuǎn)速1200r/min以下,都屬于電機(jī)高效區(qū),且高于80%要求。

圖10 負(fù)載效率分布圖

5 結(jié)語

本文以10kW輪轂電機(jī)為研究對(duì)象,從電機(jī)設(shè)計(jì)入手,在轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、極弧系數(shù)和定子沖片開槽等方面研究抑制噪聲方法,最終通過電機(jī)性能仿真,評(píng)估空載和負(fù)載情況下電機(jī)的噪聲得到了大幅度降低。