基于分段隔磁桥的V型转子永磁电机的振动噪声削弱方法.pdf

第 42 卷 第 7 期2023 年 7 月电 工 电 能 新 技 术Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol.42,No.7Jul.2023收稿日期:2022-07-20基金项目:辽宁省自然科学基金项目(2019-ZD-0208)、辽宁省教育厅面上项目(LJKZ0140)作者简介:陈丽香(1973-),女,辽宁籍,高级工程师,硕士生导师,硕士,研究方向为永磁伺服电机关键技术;姜植元(1998-),男,辽宁籍,硕士研究生,研究方向为电机振动噪声。基于分段隔磁桥的 V 型转子永磁电机的振动噪声削弱方法陈丽香,姜植元,孙 宁(沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心,辽宁 沈阳 110870)摘要:电动汽车用 V 型转子永磁电机中的电磁噪声是电动汽车噪声的主要来源,影响到乘车人的舒适度问题。本文以 1 台额定功率 104 kW 的电动汽车用 V 型永磁电机为研究对象,分析电机电磁噪声产生的原因,提出一种在转子中开设分段隔磁桥的方案以降低电机的振动噪声,并与不分段隔磁桥、双层分段隔磁桥方案进行比较。在 Maxwell 中建立仿真计算模型,并采用有限元法对多个优化方案的电机模型进行电磁性能、振动、噪声的分析比较,并通过样机的振动噪声试验证明了计算方法的正确性及准确性。结果表明,考虑到制作工艺等问题,采用单层分段隔磁桥能够在几乎不影响电磁性能的情况下,有效地减弱电机的电磁噪声。关键词:车用 V 型转子永磁电机;有限元法;分段隔磁桥;振动噪声DOI:10.12067/ATEEE2207041 文章编号:1003-3076(2023)07-0087-09 中图分类号:TM3511 引言 进入 21 世纪以来,由于传统燃油汽车会消耗能源、污染环境,新能源汽车渐渐成为人们发展研究的热点。随着科技进步,人们乘坐或驾驶汽车时对舒适度的要求也变得越来越高。由此 NVH(Noise,Vi-bration,Harshness)性能指标在汽车行业也成为从业人员重点关注的问题1。在众多种类电机中,永磁同步电机因为其结构紧凑、效率高等优点,常常应用于新能源汽车中2。而其中 V 型转子磁钢的设计结构会使得永磁电机具有较强的弱磁扩速、过载能力,因此经常用于新能源汽车的驱动电机中3。但这种类型的永磁电机作为驱动电机使用时,由于需要满足质量较轻、功率密度较高等要求,会产生较大的振动噪声4。因此,电动汽车用永磁电机在满足电磁性能的情况下,也要尽量抑制电机的振动噪声。近几年来,在设计时考虑如何抑制永磁同步电机的电磁振动噪声是国内外学者共同研究的热点问题之一。文献5相比于传统的单层铁心结构,设计了一种双层铁心结构,同时改变绕组的排布方式,成功优化电机气隙磁场,抑制了电机的振动噪声问题。文献6研究分析多种极槽配合下电机的电磁力阶次,同时分析电磁力产生的原理。经过分析对比,最后得出结论:8 极 12 槽电机相比于 10 极 12槽电机能够更好地减弱电机的振动噪声。文献7研究硅钢片中磁致伸缩效应对电机振动噪声的影响,采用有限元法计算在理想电流下的振动噪声情况并采用试验进行验证,为之后研究振动噪声提供了参考。文献8研究一台 35 kW 电动汽车车用电机,通过在转子外缘开辅助槽,在多种不同的辅助槽参数中寻求最优结果,最后得出结论:合适的辅助槽参数可以成功地降低电机的振动噪声。文献9研究 20 kW 内置式永磁电机中磁钢层数对电机性能的影响,经过分析对比、试验验证得出结论:合适的磁钢层数可以降低电机的振动噪声情况。文献10研究一种分数槽永磁同步电机,通过解析法计算推导不同齿削幅度角情况下各次谐波的幅值,结果表明这种方法可以减轻电机振动幅度,降低最大噪声声压值。文献11提出了一种优化定子齿廓的新方法。通过有限元方法确定定子齿最佳偏移距离,经过实验验证,证明了采用新方案可以成功地减弱电机振动和噪声幅值。文献12针对一台内置式永磁同步电动机(Interior Permanent Magnet Syn-chronous Motor,IPMSM)研究不同供电方式对振动88 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 7 期噪声的影响,重点分析在逆变器供电方式下电流谐波对电磁力的影响。通过分析多个工况下样机的电磁力波、振动噪声情况,与样机试验相互验证对比得出结论,逆变器供电方式下引入的电磁力波频率分量会使电机在恒功率调速下产生较大的振动噪声。本文针对一台额定功率为 104 kW 电动大巴车用永磁电机,推导电磁力产生的原理,建立电机仿真模型,并给出了一个在转子中开设分段隔磁桥的方法,通过优化气隙磁通密度,减少谐波、电磁力,在基本不影响电机电磁性能的情况下,优化电机的振动噪声情况。通过与不分段隔磁桥、双层分段隔磁桥两种方案在电磁、振动、噪声方面进行分析对比,得出结论,考虑到制作工艺等问题的影响,开设单层分段隔磁桥可以有效地减弱电机的电磁振动噪声,最后通过原电机样机的振动噪声试验证明了计算方法的正确性及准确性。2 电磁分析2.1 电机参数 本文研究的电动汽车用永磁同步电机计算模型如图 1 所示,该电机是一台 12 极 54 槽 V 型转子永磁同步电机,其主要参数见表 1。图 1 电机计算模型Fig.1 Motor calculation model表 1 永磁同步电机具体参数Tab.1 Specific parameters of permanent magnetsynchronous motor参数数值额定功率/kW104额定转速/(rmin-1)1 250定子槽数54极对数6永磁体材料N38UH硅钢片材料35ww2702.2 电机径向电磁力分析 电机运行过程中产生电磁振动噪声的主要原因是电机的定子受到径向电磁力作用13。电磁力来源于永磁体和电枢绕组两者产生的磁场共同作用。在研究永磁电机的电磁振动噪声问题之前,首先要计算分析永磁电机的径向电磁力14。计算定子铁心径向电磁力的密度时采用麦克斯韦张量法,表达式为15:fr=B2r-B2t20(1)式中,Br为电机气隙径向磁通密度;fr为定子上的径向电磁力密度;Bt为电机气隙切向磁通密度;0为真空磁导率,0=410-7H/m。由于空气磁导率远远不及铁磁材料的相对磁导率,气隙中大部分磁力线近似垂直于中心圆弧。因此,切向磁通密度远远小于径向磁通密度,由此将径向电磁力简化为:fr=120B2r(2)永磁电机的气隙磁通密度由永磁体和电枢绕组产生的磁场相互作用而成。永磁同步电机的各个参数中,q 为每极每相槽数,z 为定子槽数,m 为相数,p 为极对数。每极每相槽数表示为:q=z2pm(3)转子谐波磁场产生的磁势谐波次数为:vr=(2k+1)p k=0,1,2,3,(4)将每极每相槽数化为最简形式,a 为最简形式的分子,d 为最简形式的分母:q=ad(5)电机为整数槽电机时,d=1。本文电机为 54槽 12 极电机,q=3/2,所以 d=2。电机的定子磁场产生的磁势谐波次数为:vs=(6nd+1)p n=0,1,2,3,(6)式(6)既适用于整数槽电机也适用于分数槽电机。电枢反应磁场产生的磁势谐波次数为:vs=(3n+1)p n=0,1,2,3,(7)转子永磁体磁场的 vr次谐波和电枢磁场的 vs次谐波产生的各次阶数电磁力为:s=vr vs(8)其中径向电磁力的频率为:陈丽香,姜植元,孙 宁.基于分段隔磁桥的 V 型转子永磁电机的振动噪声削弱方法J.电工电能新技术,2023,42(7):87-95.89 f=(vr 1)f1(9)f1=pn160(10)式中,n1为电机转速;f1为电机基波电频率,基波电频率即电机运行的电角速度对应的频率16。电机存在的前几阶次径向电磁力波阶数见表 2。表 2 径向电磁力波阶次Tab.2 Radial electromagnetic force wave ordervrvs阶次60/-126/618-12/246/63024/-306/04242054-48/606/6666063 转子分段隔磁桥 研究如何抑制车用电机的电磁振动噪声,就要从减小径向电磁力幅值角度考虑,而由于径向电磁力基本上由径向气隙磁通密度决定,磁路的不同走向会改变径向气隙磁通密度的大小17。本节在电机转子结构中开设分段隔断桥并与不分段隔磁桥方案比较分析,在转子结构中开设分段隔磁桥方案如图 2 所示,分段隔磁桥参数如图 3 所示,不分段隔磁桥如图 4 所示。分段隔磁桥相比于不分段隔磁桥的优势在于可以弧形排列,更好地优化气隙磁通密度的波形,同时使用起来也更加灵活、方便。图 2 分段隔磁桥示意图Fig.2 Schematic diagram of segmentedmagnetic isolation bridge图 3 分段隔磁桥参数Fig.3 Segmented isolation bridge parameters图 4 不分段隔磁桥示意图Fig.4 Schematic diagram of non-segmented magnetic bridge3.1 有限元电磁仿真分析 建立原电机与在转子中开设两种不同隔磁桥的电机模型,利用 Maxwell 软件对 3 种电机模型进行求解对比分析,对比原电机与分段隔磁桥模型空载时的气隙径向磁通密度如图 5 所示,求解分析各个模型快速傅里叶变换分解结果如图 6 所示,谐波畸变率见表 3。图 5 气隙径向磁通密度Fig.5 Air gap radial magnetic flux density图 6 不同隔磁桥方案径向气隙磁通密度傅里叶分解结果Fig.6 Fourier decomposition results of magnetic densityof radial air gap with different magnetic bridgeschemes90 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 7 期表 3 不同隔磁桥方案谐波畸变率对比Tab.3 Comparison of harmonic distortion rates ofdifferent magnetic bridge schemes原电机不分段隔磁桥分段隔磁桥谐波畸变率(%)20.9919.8418.48从图 6、表 3 可知,在转子中开设分段隔磁桥相比于不分段隔磁桥对气隙磁通密度基波幅值影响更小,相当于对永磁电机的电磁性能影响甚微;同时气隙磁通密度的波形近似于正弦,优化程度较好,谐波畸变率也最低。削弱 3 次、7 次谐波的效果较好。利用场计算器仿真计算得到定子齿表面径向电磁力密度与时间、空间的结果如图 7 所示,同时针对电磁力进行二维傅里叶分析,如图 8 所示。图 7 原电机定子电磁力三维图Fig.7 Three-dimensional diagram of electromagneticforce of original motor stator图 8 电磁力二维傅里叶分析结果Fig.8 Two-dimensional Fourier analysis resultsof electromagnetic force从图 8 中可以看出,除基波外,2 次时间谐波和12 次空间谐波、4 次时间谐波和 24 次空间谐波产生的电磁力谐波较大,将前者认为是谐波 1、后者认为是谐波 2。然后将电磁力谐波幅值进行比较,如图 9所示。分段隔磁桥相比不分段隔磁桥可以在略微影响基波的情况下,降低谐波 2 的幅值效果更好。图 9 不同隔磁桥方案电磁力谐波幅值比较图Fig.9 Comparison of harmonic amplitudes of electromagneticforces of different bridge schemes3.2 振动噪声分析 将电磁仿真的二维场结果导入 Workbench 谐响应分析模型中,并进行谐响应分析16。设置求解频率范围为 010 000 Hz。导入的载荷作用点设置在定子齿的几何中心,对电机的振动进行分析。根据得到的振动结果,对振幅较大频率下的电磁力谐波幅值进行比较,最后得到不同方案下振动位移曲线和电磁力谐波幅值比较曲线如图 10、图 11 所示。图 10 不同隔磁桥方案振动位移对比图Fig.10 Comparison of vibration displacement ofdifferent magnetic bridge schemes由图 10、图 11 得,电机在 4 250 Hz、6 250 Hz、8 250 Hz频率下振动较大,开设分段隔磁桥可降低电机在定子齿上的振动,从而影响电机的电磁噪声。比较电磁力谐波幅值可知,分段隔磁桥与不分段隔磁桥两者在振幅较大频率下电磁力谐波幅值基本一致,同样较原电机相比幅值较低,但不分段隔磁桥影响基波程度较大,而分段隔磁桥模型能在不影响电磁性能的情况下,降低振动幅度。将振动结果导入声场模型中进行声场分析,如图 12 所示。陈丽香,姜植元,孙 宁.基于分段隔磁桥的 V 型转子永磁电机的振动噪声削弱方法J.电工电能新技术,2023,42(7):87-95.91 图 11 不同隔磁桥方案振幅较大频率下电磁力谐波幅值Fig.11 Harmonic amplitudes of electromagnetic force withlarger amplitudes of different magneticbridge schemes图 12 不同隔磁桥方案噪声频谱对比结果Fig.12 Comparison of noise spectrum of differentmagnetic bridge schemes如图 12 所示,分段隔磁桥模型与原电机、不分段隔磁桥两种模型相比,有效降低了电机的噪声情况,不仅在整体趋势上减弱了电机的电磁噪声,在电机基波电频率偶数倍对应的重点频率 4 250 Hz、6 250 Hz、8 250 Hz 下的噪声有很好的削弱效果。各方案噪声数据分析见表 4。表 4 不同隔磁桥方案噪声数据分析对比Tab.4 Analysis and comparison of noise data ofdifferent magnetic bridge schemes方案A 加权声压级峰值/dB(A)A 加权声压级平均值/dB(A)原电机92.5356.34不分段隔磁桥94.8658.84分段隔磁桥85.2352.954 转子双层分段隔磁桥 隔磁桥大小、形状、数量等因素都会影响磁路中磁阻的大小,从而影响电机的振动、电磁噪声。本文在转子中开设单层分段隔磁桥方案的基础上,在原位置下方开设另一层分段隔磁桥形成双层分段隔磁桥,其中孔的大小参数不变,并与第 3节中单层分段隔磁桥进行对比分析,研究其对电机电磁性能与振动噪声的影响。图 13 为双层分段隔磁桥示意图。图 13 双层分段隔磁桥示意图Fig.13 Schematic diagram of double-layer segmentedmagnetic isolation bridge4.1 有限元电磁仿真分析 建立双层分段隔磁桥方案的电机模型后,借助Maxwell 对原电机、第 3 节中提出的单层分段隔磁桥、双层分段隔磁桥三种电机模型进行分析对比,空载径向气隙磁通密度快速傅里叶变换分解结果如图14 所示,谐波畸变率见表 5。图 14 两种分段方式径向磁通密度傅里叶分解结果Fig.14 Two piecewise Fourier decomposition resultsof radial magnetic density表 5 两种分段方式谐波畸变率对比结果Tab.5 Comparison of harmonic distortion rate betweentwo piecewise methods原电机单层隔磁桥双层隔磁桥谐波畸变率(%)20.9918.4718.24从图 14、表 5 可以看出,双层分段隔磁桥相比于单层隔磁桥来说,降低气隙磁通密度波形的 3、7次谐波的效果基本不变,谐波畸变率也大致相同。计算完定子齿表面径向电磁力密度与时间、空间的92 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 7 期结果后,同样将 2 次时间谐波和 12 次空间谐波、4次时间谐波和 24 次空间谐波产生的电磁力认为是谐波 1、后者认为是谐波 2,然后对电磁力谐波幅值进行比较如图 15 所示。图 15 两种分段方式电磁力谐波幅值比较图Fig.15 Comparison of harmonic amplitudes of electromagneticforces of two piecewise modes双层分段隔磁桥相比于单层分段隔磁桥影响基波的程度会大一些,前者降低谐波 2 效果好一点,但是两者降低谐波 1 效果基本相同。4.2 振动噪声分析 同样将电磁力结果导入到 Workbench 谐响应分析模型中进行振动分析,得到的结果如图 16 所示,然后对振幅较大频率下的电磁力谐波幅值进行比较,如图 17 所示。图 16 两种分段方式振动位移对比图Fig.16 Comparison of vibration displacement betweentwo piecewise modes由图 16、图 17 可以看出,电机在 4 250 Hz、6 250 Hz、8 250 Hz 频率下的振动较大,双层隔磁桥不管是在振动幅度还是振幅较大频率下的电磁力谐波幅值都比单层隔磁桥略小一些。然后将振动结果导入声场模型中进行声场分析,如图 18 所示,噪声图 17 两种分段方式振幅较大频率下的电磁力谐波幅值Fig.17 Harmonic amplitudes of electromagnetic force atlarger frequencies of two piecewise modes数据分析见表 6。图 18 两种分段方式噪声频谱对比结果Fig.18 Comparison results of noise spectrum betweenthe two segmentation modes表 6 两种分段方式噪声数据分析对比Tab.6 Analysis and comparison of noise data of twosegmentation methods方案A 加权声压级峰值/dB(A)A 加权声压级平均值/dB(A)原电机92.5356.34单层分段隔磁桥85.2352.95双层分段隔磁桥82.0551.93如图 18、表 6 所示,开设双层分段隔磁桥与单层分段隔磁桥相比,噪声整体趋势基本相同,噪声峰值下降幅度、噪声整体下降幅度基本相同,前者峰值下降幅度略大一些。总体来说,两种分段隔磁桥方法相比于原电机在降低噪声水平都有不错的效果,证明了优化措施的有效性。5 电机试验验证 为验证计算方法的正确性及准确性,本文将原V 型转子永磁电机的试验结果与仿真结果做了对比分析。噪声实验在沈阳工业大学国家稀土永磁电机陈丽香,姜植元,孙 宁.基于分段隔磁桥的 V 型转子永磁电机的振动噪声削弱方法J.电工电能新技术,2023,42(7):87-95.93 工程技术研究中心消声室内进行。样机、测量点位如图 19图 21 所示。图 19 噪声测量样机图Fig.19 Noise measurement prototype图 20 噪声测量点侧视图Fig.20 Side view of noise measurement point图 21 噪声测量点俯视图Fig.21 Top view of noise measurement point考虑到车用电机的实际情况,对电机空载运行的两个转速进行噪声测试分别为 1 250 r/min、2 500 r/min,与仿真结果的对比见表 7、表 8。表 7 1 250 r/min 转速下噪声分析和测量结果Tab.7 Noise analysis and measurement results at 1 250 r/min测量点噪声计算值/dB(A)噪声测量值/dB(A)误差(%)169.770.91.7271.973.02.0367.469.22.6471.872.92.8564.566.73.3表 8 2 500 r/min 转速下噪声分析和测量结果Tab.8 Noise analysis and measurement results at 2 500 r/min测量点噪声计算值/dB(A)噪声测量值/dB(A)误差(%)170.672.42.5274.876.32.0369.671.42.5473.976.12.9568.970.21.9通过对表 7、表 8 中各点的计算值和测量值进行比较发现,模型仿真分析和样机试验两种情况下的计算误差约为 5%,误差范围符合设计要求,进一步证明了本文计算方法的准确性和正确性。6 结论 本文针对一台额定功率为 104 kW 电动大巴车用永磁电机,在有限元软件中建立仿真模型,对电机的电磁性能、振动、噪声情况进行求解分析,并提出一种在转子结构中开设单层分段隔磁桥的优化方法,并与不分段隔磁桥、双层分段隔磁桥进行比较分析。并将原电机的有限元仿真结果与样机实验结果互相验证,证明了计算方法的合理性、有效性,得到以下结论:(1)本文所研究的分数槽 12 极 54 槽永磁同步电机存在的较低电磁力波阶次为 0 阶与 6 阶。(2)在转子中开设分段隔磁桥相比于不分段隔磁桥可以有效改善气隙磁通密度波形,降低谐波含量、谐波畸变率,达到减小径向电磁力幅值的效果,从而减小电机的振动、电磁噪声。经过优化后电机的噪声峰值下降 7.8%,整体趋势下降较为明显。(3)双层分段隔磁桥相比于单层分段隔磁桥方案,整体趋势基本不变,噪声峰值下降幅度略微大一些,考虑到制作工艺的影响,开设单层分段隔磁桥较为合适。(4)本文 V 型转子永磁电机噪声的试验结果与仿真结果经过对比分析,发现误差均在 5%以下,符合设计要求,证明了本文计算方法正确性及准确性。参考文献(References):1 郑江,代颖,石坚.车用永磁同步电机的电磁噪声特性 J.电工技术学报,2016,31(S1):53-59.Zheng Jiang,Dai Ying,Shi Jian.Electromagnetic noisecharacteristics of permanent magnet synchronous motor ap-plied in electric vehicle J.Transactions of China Elec-94 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 7 期trotechnical Society,2016,31(S1):53-59.2 Fodorean D,Husar C,Irimia C.Noise and vibration be-havior evaluation of DC motor and PMSM in electric trac-tion application A.2016 International Symposium onPower Electronics,Electrical Drives,Automation and Mo-tion C.Capri,Italy,2016.1184-1189.3 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electric buses is the main source ofnoise in electric vehicles,which affects the comfort of passengers.In this paper,aiming at a PMSM for an electricbus with a rated power of 104 kW,the reasons for the electromagnetic noise of the motor are analyzed,and a meth-od of setting up a segmented magnetic isolation bridge in the rotor is given to reduce the vibration and noise of themotor.The magnetic isolation bridge and double-layer segmented magnetic isolation bridge schemes are compared.The simulation calculation model is established in Maxwell software,and the electromagnetic performance,vibrationand noise of the motor models of multiple optimization schemes are analyzed and compared by the finite elementmethod are verified by the test of the sample machine.The correctness and accuracy of the method are verified bythe test of the sample machine.The results show that considering the manufacturing process and other issues,thesingle-layer segmented magnetic isolation bridge can achieve the effect of suppressing the vibration and noise of themotor without affecting the electromagnetic performance.Key words:vehicle V-rotor permanent magnet motor;finite element method;segmented magnetic bridge;vibra-tion noise