永磁同步電機(jī)電磁噪聲抑制方法綜述

劉方韜,張成新,龐 悅

(曲阜師范大學(xué) 工學(xué)院,日照 276800)

0 引 言

2023年第一季度新能源汽車產(chǎn)銷累計(jì)完成165.0萬輛和158.6萬輛,同比分別增長27.7%和26.2%[1]。作為主流技術(shù)方向的純電動(dòng)車型,在新能源汽車市場中的份額穩(wěn)定維持在七成以上,行業(yè)主導(dǎo)優(yōu)勢明顯。根據(jù)以上數(shù)據(jù),在中國汽車市場,電動(dòng)汽車已經(jīng)逐步被消費(fèi)者所認(rèn)可。

永磁同步電機(jī)(以下簡稱PMSM)因其高效率、高轉(zhuǎn)矩密度和優(yōu)秀的控制性能[2],已被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]。電機(jī)的噪聲主要有機(jī)械噪聲、電磁噪聲和空氣噪聲[4-5],其中電磁噪聲頻率較高,占比最大。在電動(dòng)汽車的駕駛環(huán)境中,高頻電磁噪聲將直接影響駕駛者和乘客的舒適度。另外,電磁振動(dòng)還可能對(duì)電機(jī)自身的可靠性和壽命產(chǎn)生影響。因此,優(yōu)化PMSM的電磁噪聲是新能源汽車技術(shù)研究的重要方向之一[6]。

1 電磁噪聲產(chǎn)生的原因

PMSM的電磁噪聲產(chǎn)生的機(jī)理是一個(gè)涉及電場、電磁場、機(jī)械場和聲場等多個(gè)物理量的復(fù)雜過程。高頻電磁噪聲的來源主要有兩個(gè):由逆變器引入到電樞繞組中的電流諧波和電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引起內(nèi)部的電磁場諧波。

變頻逆變器涉及脈寬調(diào)制技術(shù),其通過在固定周期內(nèi)快速切換開關(guān)狀態(tài)來模擬所需的輸出電壓。但這種操作方法的非正弦波形輸出、開關(guān)設(shè)備的高速開關(guān)特性以及為防止短路而設(shè)置的死區(qū)時(shí)間都會(huì)引入電流諧波。當(dāng)逆變器用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí),這些電流諧波會(huì)被傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)的電樞繞組中引起電樞反應(yīng)諧波磁場。

電樞反應(yīng)諧波磁場與永磁體諧波磁場相互作用并在電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響下產(chǎn)生的氣隙磁場具有時(shí)間和空間的雙重屬性,包含了不同空間階次和時(shí)間頻率的磁密諧波含量,這些磁密相互作用產(chǎn)生電磁力諧波。電磁力諧波可以分解為使電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的切向電磁力和使定子鐵心發(fā)生形變的徑向電磁力[7],如下式:

式中:Br(θ,t),Bt(θ,t)分別為氣隙磁密的徑向分量和切向分量;μ0為真空磁導(dǎo)率。徑向電磁力的幅值遠(yuǎn)大于切向電磁力。

定子鐵心的周期形變會(huì)帶動(dòng)電機(jī)外殼和空氣一起發(fā)生周期振動(dòng),從而在空氣中產(chǎn)生聲學(xué)噪聲并向外輻射,噪聲產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示。

圖1 振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

電磁力波引起的振動(dòng)和噪聲不僅與力波幅值有關(guān),還與力波階數(shù)有關(guān)[8],力波階數(shù)越低,所引起的振動(dòng)和噪聲越大。當(dāng)電磁力波的振型和頻率與定子系統(tǒng)自然模態(tài)振型和頻率接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象[9],激發(fā)較大的電磁噪聲,在電機(jī)設(shè)計(jì)階段要避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2 振動(dòng)噪聲研究現(xiàn)狀

PMSM的振動(dòng)噪聲可以采用數(shù)值法、解析法、半解析法[10]進(jìn)行計(jì)算。數(shù)值法依賴于有限元分析軟件,通過建模可以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件,從而獲得更高的精度,但是因?yàn)橛?jì)算數(shù)據(jù)量巨大,計(jì)算時(shí)間過長。解析法可以在較寬的速度范圍內(nèi)快速計(jì)算振動(dòng)和噪聲,然而只能通過3種邊界條件來描述電機(jī)支撐狀態(tài),對(duì)于復(fù)雜電機(jī)會(huì)引起嚴(yán)重誤差。半解析法結(jié)合了數(shù)值法和解析法的特點(diǎn),常用的方法是通過數(shù)值法計(jì)算電磁力,通過解析模型得到振動(dòng)和聲輻射。

文獻(xiàn)[11]研究了影響PMSM輻射電磁噪聲的準(zhǔn)確建模的幾個(gè)因素。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)為了確保模型的精確性,在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),必須考慮到端蓋、散熱器,以及與機(jī)器安裝底座相連的部分。除非定子繞組的質(zhì)量相對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量非常大,否則通常不需要考慮其影響。轉(zhuǎn)子的諧振頻率遠(yuǎn)低于定子的諧振頻率,因此在考慮整體聲壓和定子振動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)子的貢獻(xiàn)可不考慮。在模態(tài)阻尼選擇上,傾向于選擇單個(gè)模態(tài)阻尼比,而非平均模態(tài)阻尼比。為提高計(jì)算的精確度,需要在模型中加入夾緊或簡單支撐的邊界條件。文獻(xiàn)[12]提出一種基于齒建模的高精度解析方法,此方案用齒的集中力作為激勵(lì)源來計(jì)算振動(dòng),避免了用力密度來計(jì)算時(shí)忽略電機(jī)中的高階電磁力所引起的振幅較大的低模態(tài)振動(dòng),然后采用疊加法疊加所有齒力激發(fā)的振動(dòng),計(jì)算電機(jī)表面總振動(dòng)加速度。文獻(xiàn)[13]通過將實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)和從靜磁有限元獲得的磁力矢量相結(jié)合,獲得電機(jī)定子組件的精確頻率響應(yīng),此方法能夠準(zhǔn)確判斷電機(jī)的振動(dòng)響應(yīng),無需構(gòu)建容易出現(xiàn)建模錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)有限元模型,而且能夠識(shí)別結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)和磁力的時(shí)空分量的貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[14-17]提出了一種多物理場模型,用于預(yù)測變速范圍PMSM的電磁噪聲并分析其音質(zhì)。如圖2所示,首先,建立二維電磁有限元模型,測試啟動(dòng)過程中的電流,作為模型的輸入進(jìn)行力計(jì)算;將力傳遞到結(jié)構(gòu)模型,并使用模態(tài)疊加法預(yù)測振動(dòng);然后,基于結(jié)構(gòu)模態(tài)信息和聲學(xué)傳遞矢量,建立電磁力與聲壓之間的噪聲傳遞函數(shù)。使用此功能可實(shí)現(xiàn)噪聲計(jì)算的平衡效率和準(zhǔn)確性。

圖2 振動(dòng)和噪聲的計(jì)算流程圖[14]

上述文獻(xiàn)主要研究由徑向電磁力引起的噪聲,然而切向電磁力在電機(jī)的聲學(xué)性能研究中同樣關(guān)鍵,其在驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的同時(shí),也可能成為噪聲的來源。文獻(xiàn)[18]發(fā)現(xiàn)高空間階氣隙力的開槽效應(yīng),也能誘發(fā)振幅較大的低模定子振動(dòng),稱為調(diào)制效應(yīng),存在此效應(yīng)的電機(jī),切向電磁力引起的振動(dòng)約為徑向電磁力引起振動(dòng)的一半。文獻(xiàn)[19]發(fā)現(xiàn)定子齒的杠桿效應(yīng)使得非零階次切向電磁力也會(huì)產(chǎn)生隨空間階次增加而降低的振動(dòng),這種振動(dòng)特點(diǎn)與徑向力引起的振動(dòng)相似。轉(zhuǎn)矩的變化會(huì)導(dǎo)致電機(jī)和支架產(chǎn)生振動(dòng),并給基座施加不穩(wěn)定的力矩,從而激發(fā)系統(tǒng)的振動(dòng)。

3 電磁噪聲抑制研究現(xiàn)狀:

針對(duì)PMSM電磁噪聲產(chǎn)生的原因,可以將優(yōu)化策略大致分為三類:一是設(shè)計(jì)時(shí)避開和定子模態(tài)類似的振型與頻率,避免共振產(chǎn)生;其次是降低低階次電磁力幅值,減小激勵(lì)源,進(jìn)而降低噪聲;最后是增加系統(tǒng)阻尼,減小聲輻射傳遞效率。

3.1 避開共振頻率帶

當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)受到與其固有頻率相匹配的外部周期性激勵(lì)時(shí),系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)顯著增加。在設(shè)計(jì)階段可以通過改變極槽配合、機(jī)殼參數(shù)、轉(zhuǎn)子偏心、逆變器載波頻率等調(diào)整關(guān)鍵階次電磁力波頻率和定子的固有頻率,從而避免兩者振型和頻率接近而產(chǎn)生共振。

(1)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)角度

文獻(xiàn)[20]對(duì)8極12槽和8極9槽兩種不同極槽配合下PMSM振動(dòng)和噪聲進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),當(dāng)定子槽數(shù)是轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢諧波分量的整數(shù)倍時(shí)可以避免低階次徑向力諧波和定子之間的共振。文獻(xiàn)[21]對(duì)6種不同的齒槽配合的電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得到的振動(dòng)頻譜如表1所述。定子內(nèi)表面上電磁力諧波的最小模態(tài)階數(shù)為槽數(shù)和極數(shù)的最大公約數(shù),最大幅值的諧波是模數(shù)等于極數(shù)。對(duì)于內(nèi)部電磁力引起的定子振動(dòng),整數(shù)槽電機(jī)比分?jǐn)?shù)槽電機(jī)的振動(dòng)要小。

表1 不同齒槽配合電機(jī)定子外徑上各點(diǎn)的振動(dòng)諧波

文獻(xiàn)[22]發(fā)現(xiàn),極槽配合和繞組布置影響振動(dòng)和噪聲,具有二階振動(dòng)模態(tài)的12/10電機(jī)的噪聲性能較差,而具有6階振動(dòng)模態(tài)的27/6電機(jī)具有更好的性能,模階大于或等于3的電機(jī)在噪聲性能方面是完全可以接受的。文獻(xiàn)[23]發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)及靜態(tài)偏心均會(huì)產(chǎn)生額外的頻率與空間階次和定子低階模態(tài)相近的徑向電磁力諧波,易處于電機(jī)共振帶附近,導(dǎo)致電機(jī)的振動(dòng)進(jìn)一步惡化。

(2)電機(jī)控制策略角度

在傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制中,逆變器的輸出諧波功率峰值主要集中在開關(guān)頻率及其整數(shù)倍附近[24]。隨機(jī)脈寬調(diào)制策略[25]可以有效減小開關(guān)頻率附近及其整數(shù)倍的交流電機(jī)中的電磁振動(dòng)和噪聲,并且可以減小逆變器端口輸出端濾波器的尺寸[26]。根據(jù)隨機(jī)性方式的不同,隨機(jī)脈寬調(diào)制可分為隨機(jī)開關(guān)頻率脈寬調(diào)制[27]、隨機(jī)脈沖位置脈寬調(diào)制[28-29]和隨機(jī)開關(guān)脈寬調(diào)制[30]。然而,在傳統(tǒng)的隨機(jī)脈寬調(diào)制中,無法選擇性地消除特定頻率諧波。文獻(xiàn)[31]通過連續(xù)掃頻調(diào)整高次注入諧波電流的頻率,分散頻譜能量,從而有效改善了電機(jī)的高頻振動(dòng)和噪聲問題。這種方法通過打散頻譜能量,使得高頻振動(dòng)和噪聲不再集中在某個(gè)特定的頻率,從而避免了產(chǎn)生共振和高頻噪聲。文獻(xiàn)[32]提出雙分支三相PMSM與載波相位偏移相關(guān)聯(lián)的方案,如圖3所示,具有載波移相 π的并聯(lián)逆變器可以使奇數(shù)階載波諧波和相關(guān)電流諧波在2個(gè)三相繞組中向相反方向流動(dòng),奇數(shù)階載波頻率諧波產(chǎn)生的磁動(dòng)勢相互偏移有助于消除奇數(shù)階PWM頻率振動(dòng),但偶數(shù)階載頻振動(dòng)仍然存在。

圖3 雙分支三相PMSM由帶耦合電感器的交錯(cuò)并聯(lián)逆變器驅(qū)動(dòng)

文獻(xiàn)[33]提出偽隨機(jī)三角載波調(diào)制方案,通過隨機(jī)組合2個(gè)具有相同固定頻率但相位相反的三角載波而開發(fā)的。2個(gè)三角載波的隨機(jī)選擇由偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS)隨機(jī)位的“0”或“1”狀態(tài)決定。隨機(jī)化導(dǎo)致部分諧波功率轉(zhuǎn)移到連續(xù)頻譜,并顯著平衡離散頻譜。這導(dǎo)致噪聲頻譜在很寬的范圍內(nèi)擴(kuò)散,從而顯著降低整體噪聲。偽隨機(jī)三角載波調(diào)制原理如圖4所示。

圖4 偽隨機(jī)三角載波調(diào)制技術(shù)框圖[33]

文獻(xiàn)[34]提出隨機(jī)脈寬調(diào)制選擇性頻譜整形控制策略,通過相互抵消輸出電壓傅里葉級(jí)數(shù)中的前后項(xiàng)來選擇性地消除特定頻率諧波,既能抑制開關(guān)頻率整數(shù)倍附近的振動(dòng)和噪聲,又能選擇性抑制其他頻率下的電磁振動(dòng)和噪聲。分散振動(dòng)頻譜的方式雖然可以消弱噪聲尖峰,但是仍然存在局部的峰谷,文獻(xiàn)[35]提出了一種最優(yōu)周期載波頻率PWM方案,可以削減由于電機(jī)的振動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)不均勻特性引起的高頻振動(dòng)峰值。載波頻率序列經(jīng)過設(shè)計(jì),使得零階電磁力的振幅與擴(kuò)散范圍內(nèi)的振動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)成反比。與具有相同的周期載波頻率信號(hào)的頻率和PWM載波頻率的變化范圍的通用周期載波頻率PWM方案相比,最優(yōu)的周期載波頻率PWM方案可以進(jìn)一步平坦化振動(dòng)光譜,并更有效地降低高頻振動(dòng)水平和峰值。

3.2 降低電磁力波幅值

氣隙中的電磁力波是導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的主要激勵(lì)源,通過對(duì)定子、轉(zhuǎn)子、氣隙及永磁體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行深入的系統(tǒng)優(yōu)化,不僅可以調(diào)整電磁力的諧波含量,而且能顯著地減弱其幅值。

文獻(xiàn)[36]研究了在PMSM轉(zhuǎn)子表面優(yōu)化矩形開槽的位置,實(shí)現(xiàn)了高達(dá)70%的48次諧波徑向力下降。常見的轉(zhuǎn)子開口形狀如圖5所示。

圖5 各種轉(zhuǎn)子開口形狀[36]

文獻(xiàn)[37]對(duì)某款8極48槽的PMSM振動(dòng)噪聲水平評(píng)估后,提高定子剛度和降低低階次電磁力幅值的結(jié)構(gòu)可以對(duì)電機(jī)的振動(dòng)噪聲有正面的影響。文獻(xiàn)[38]研究,選用恰當(dāng)?shù)牟痪鶆驓庀秾?huì)使氣隙磁場的波形畸變率減小,反電動(dòng)勢波形近似于正弦波, 空載氣隙磁密波形得到了優(yōu)化,振動(dòng)減弱。不均勻氣隙結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 不均勻氣隙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意

得到氣隙磁場近似正弦分布時(shí)不均勻氣隙距的近似數(shù)學(xué)表達(dá)式:

式中:Dil為定子內(nèi)經(jīng);θ1為磁極半跨距角;δmin為最小氣隙長度;δmax為最大氣隙長度。

文獻(xiàn)[39]采用響應(yīng)面算法對(duì)永磁體的位置和角度進(jìn)行優(yōu)化,在不降低平均轉(zhuǎn)矩的情況下實(shí)現(xiàn)了噪聲的降低。文獻(xiàn)[40]研究了齒槽寬度對(duì)徑向電磁力的影響,槽口寬度越小,反電動(dòng)勢有效值會(huì)越大,而且力波幅值會(huì)減小,從而削弱噪聲。文獻(xiàn)[41]建立了精準(zhǔn)的PMSM多物理場電磁振動(dòng)噪聲預(yù)測模型,提出兩種優(yōu)化方案:一是通過優(yōu)化齒槽寬度和永磁體圓角半徑來削弱徑向電磁力幅值,此種方法對(duì)單一頻率峰值噪聲效果明顯;二是通過轉(zhuǎn)子分段斜極和連續(xù)斜極來實(shí)現(xiàn)徑向電磁力沿軸向分布相位的優(yōu)化,此種方法對(duì)多個(gè)頻率峰值噪聲進(jìn)行削弱時(shí)更加有效。文獻(xiàn)[42]提出了,斜槽斜過定子齒距整數(shù)倍,可以降低齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值,但過大的斜率會(huì)降低過載能力提高軸向力,一般斜過一個(gè)定子齒距是理想的斜槽角度。文獻(xiàn)[43]提出了在槽口處放置磁槽楔的方法,間接增加了齒的有效截面積,并使氣隙中磁通量的密度分布更加均勻,從而減弱氣隙中的諧波,有效減少磁場引起的振動(dòng)。文獻(xiàn)[44]研究分析,將磁鋼層數(shù)設(shè)計(jì)為3層或2層對(duì)抑制電機(jī)的振動(dòng)噪聲較為有利,通過對(duì)3層磁鋼電機(jī)的磁鋼槽端部進(jìn)行削角處理,對(duì)2層磁鋼電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)開對(duì)稱的隔磁孔,可以進(jìn)一步降低聲。隔磁孔結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)子開隔磁孔示意圖

文獻(xiàn)[45]對(duì)電機(jī)定子齒采用不同的齒肩削角方式,仿真驗(yàn)證,電機(jī)定子齒肩采用內(nèi)切圓弧式削角方式的降噪效果明顯優(yōu)于直線式削角方式的降噪效果。文獻(xiàn)[46]研究了,在永磁體用量相同的情況下,雙層永磁體的電機(jī)氣隙磁場諧波幅值總體上低于單層永磁體的電機(jī)。文獻(xiàn)[47]采用遺傳算法對(duì)樣機(jī)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁體寬度、轉(zhuǎn)子磁體夾緊角、定子槽深度和定子槽寬是高靈敏度參數(shù),轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)定子槽寬最敏感,平均轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)子磁體寬度最敏感,徑向力波幅值對(duì)定子槽深度和轉(zhuǎn)子磁體夾緊角更敏感。

3.3 降低聲輻射傳遞效率

通過改進(jìn)定子和機(jī)殼的配合方式、繞組灌封以及改變定子的尺寸參數(shù)等措施來增加系統(tǒng)的阻尼值,使定子振動(dòng)傳到空氣時(shí)得到大幅衰減,從而降低噪聲,目前此類方法較少。

文獻(xiàn)[48]提出在開關(guān)磁阻電機(jī)定子和機(jī)殼之間插入碳素彈簧鋼片的方案來增大阻尼,研究了板簧的張力和厚度對(duì)振動(dòng)水平的影響,結(jié)果顯示,對(duì)高速噪聲的抑制更為明顯,此方案意在減小定子到外殼的振動(dòng)傳遞,同樣也適用于PMSM。板簧安裝示意圖如圖8所示。

圖8 板簧安裝示意圖

文獻(xiàn)[49]研究發(fā)現(xiàn),永磁體和定子之間的環(huán)氧化物樹脂膠可以降低電機(jī)的剛度和自然頻率,提高系統(tǒng)阻尼,進(jìn)而影響電機(jī)的聲學(xué)特性。

4 結(jié) 語

在工程應(yīng)用時(shí),基于不同使用場景和成本的考慮,可以組合不同的優(yōu)化策略。值得注意的是,在進(jìn)行電機(jī)噪聲優(yōu)化的過程中,可能會(huì)造成其他性能指標(biāo)的變化。我們不僅需關(guān)注噪聲降低的效果,還必須兼顧電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、溫升等關(guān)鍵參數(shù),以確保整體性能的均衡和優(yōu)化。

總體而言,噪聲優(yōu)化已經(jīng)有了顯著的提高,電動(dòng)汽車的駕乘體驗(yàn)已經(jīng)有了明顯的改善。結(jié)合研究現(xiàn)狀,今后可能有以下幾個(gè)研究趨勢:1)開發(fā)更精確和先進(jìn)的建模和計(jì)算方法,以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜和精細(xì)的噪聲優(yōu)化,當(dāng)前的建模方法往往忽略了某些細(xì)微之處,而在計(jì)算過程中有時(shí)會(huì)忽視特定的非線性因素,這些因素導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際的噪聲表現(xiàn)不完全一致;2)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)與控制算法相融合,能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的輸入和環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整其行為,以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)和全速域的噪聲優(yōu)化;3)研發(fā)新型高性能材料、提升制造工藝和裝配工藝,可以提高電機(jī)的性能并降低噪聲。