永磁同步轮毂电机设计及噪声优化.pdf

永磁同步轮毂电机设计及噪声优化张洪涛(大庆炼化公司黑龙江大庆)摘 要 轮毂电机种类繁多包括直流电机、异步电机、永磁同步电机等但永磁同步电机较其他类型电机具有更好稳定性、更高的效率以及功率密度 但在爬坡过程或满载时电机既要保证高速行驶又要避免产生过大噪声现从轮毂电机主要尺寸设计、振动噪声理论分析、抑制措施研究等方面进行理论计算、软件分析通过软件模拟结果设计合理极槽配合、绕组方案等优化电机噪声振动 关键词 永磁同步电机轮毂电机极槽配合绕组方案噪声振动:./.中图分类号:文献标识码:文章编号:()().引言随着传统石化能源消耗轮毂电机因高效率、精度控制、体积小越来越成为汽车用电机的研究焦点 轮毂电机与传统汽车电机相比简化与车轮之间的传动装置直接将动力传递给车轮这样效率高、灵活、控制更加精准 由于路况复杂为保证电机可靠性、高性能以及汽车乘坐舒适度对轮毂电机结构机械强度、电气性能、噪声振动抑制提出更高要求 噪声来源包括电磁噪声、空气摩擦噪声以及传动噪声等多重来源其中因径向电磁力、切向电磁力引起的电机振动可能会导致电机外壳共振产生剧烈振动噪声定转子运动不匹配会引起传动噪声空气在电机部件间旋转流动引起空气摩擦噪声但轮毂电机因防水要求可以忽略空气摩擦噪声噪声主要来源于电磁噪声和传动噪声 因此本文主要研究噪声振动规律、对比不同控制策略、确定优化方案 电机结构设计.电机性能指标轮毂电机因结构空间有限设计时既要考虑电机安全可靠又要考虑是电机动力性能实现电机高转矩低噪声振动性能 整车功率需求见表 电机额定转矩为加速转矩额定转速为电机基速到达最高转速需要 倍的弱磁扩速比通过峰值功率与额定功率关系可以确定额定转矩为 表 整车功率需求项目值额定功率峰值功率额定转速/最高转速/最高效率额定转矩.主要尺寸设计因空间限制轴的长度与定子外径比变化范围有限因此为提高转矩密度可以通过定子内径设计实现实质是优化定子裂比及磁密 最大转矩与尺寸关系见式()/()式中是定子相电流对于永磁同步电机来说主要影响因素是端部绕组定子电流计算公式见式()是铜耗()()弱磁化扩速对汽车的车速影响最大不计损耗前提下电磁功率如下()电流分解为直轴、交轴电流引入电机电角速度则功率与角速度关系见公式 通过公式可以画出角速度与功率曲线关系并得出最大电磁功率对应的弱磁比倍数值 ()()考虑到轮胎宽度、轮毂直径大小以及电机内部空间使用 转子内径以及外径分别设计为、电机气隙长度计算公式如下 ()()通过对比不同气隙长度下永磁体厚度、气隙磁密、齿磁密、空载反电动势、电机的输出转矩以及效率值得出最优的气隙长度一般当永磁体大小确定后漏磁与负载有直接关系会出现不同的波动的漏磁本文计算先通过计算公式得出气隙值.对比了.气隙下的参数值确定气隙长度.电机输出功率最大根据永磁体空间放置方式转子分为内置式和表贴式两种表贴式加工容易、成本较低且转矩密度和功率密度也较高 而内置式加工复杂成本高对于功率密度和效率要求更高的电机可以考虑内置式当电抗差较大时内置式能有利于电机进入同步转速提高电机过载能力 本文选择表贴式永磁体选择典型的 剩余磁通密度.矫顽力/最大磁能积/最大工作温度极弧系数.轴长受到电机安装尺寸限制长度直接关系到电机的功率密度、输出转矩、反电动势、过载倍数等参数通过计算对比确定轴长度 电机的在起步、加速、过载时各项指标最优.极槽配合电机极对数一般选择多极这样汽车转速不会过高但是极对数过高也会引起铁耗增多为降低影响需要安装高频控制器因此本文对比 极、极 槽结构以及 极 槽计算结果表面 极 槽功率密度值./明显高于其他两种方案但齿槽转矩最大 极 槽输出转矩明显最小综合考虑应该选择 极 槽功率密度、输出转矩相对较高齿槽转矩相对较小槽形选择梨形槽见图 这种结构槽绝缘较好且耐用101R12o1habbhs图 梨形槽.绕组设计分数槽绕组端部距离较短因此铜耗少电机效率高这种结构有利于减少高次谐波降低磁通脉振但缺点是会产生奇偶次谐波对主磁通不利且频率相同时造成共振而整数槽绕组端部较长铜耗较高且槽数较多没有有效利用槽面积考虑到电机安装空间受限为保证输出较大功率因此本文选择分数槽绕组结构 电机绕组参数计算见表 表 电机绕组参数计算项目值绕组方式 型层数并联支路数每槽导体数节距线径.槽满率.电机振动噪声分析及控制措施电机的振动是因电磁激振引起的电机在高速运行过程中在电机内部有径向电磁力波和与切向相切的电磁力波一般径向电磁波力要更大因此需要首先研究径向电磁力 针对 极 槽研究永磁体磁场和定子电枢的径向力波 通过可以看出电磁力波可以引起电机电磁振动图 为不同阶次电磁力波分量幅值三维图像图 为傅里叶分解图可以得出正常运行时电机在()、()处幅值最高表明谐波阶次对电机振动有很大影响设计时需要注意低阶幅值0?/ms?/cm2512.503500001250004590Frad N.M/.2Max:314529.3Min:-57057.7350000300000250000150000100000500000-500000-100000图 电磁力波分量80000700006000050000400003000020000100000-10000-10 -9 -8 -7 -6-5-4-3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1004f8f?/FradN.M-2(1,)f(10,4 )f(4,8 )f(6,6 )f(6,)f(2,2 )f(6,)f图 傅里叶分解图电机振动时还需考虑电机定子与转子是否发生共振这就需要对前 阶固有频率进行模拟对比转子包括钕铁硼材料的永磁体和硅钢片材质的转子轭部模型见图转子与轮毂之间时螺栓连接通过 软件模拟结果见图、图 表贴式结构电机定子在内部模型见图 模拟结果见图、图 对比结果发现转子与定子不存在共振图 三维模型 图 阶模拟结果图 阶模拟结果 图 三级模型图 阶模拟结果 图 阶模拟结果极弧系数对电机齿槽转矩有直接影响最终引起电机转矩脉动因此也是电机振动噪声的因素模拟不同极弧系数对电机声压级值见图 从图 可以看出.附近声压级较低因此分析.和.极弧系数时电机的转矩脉动对比发现 阶时径向电磁力密度值较小因此选择.的极弧系数0.6 0.63 0.66 0.69 0.72 0.75 0.78 0.81 0.84 0.87 0.9737169676563615957?/dB(A)?图 不同极弧系数电机声压级值定子齿部开槽见图 开槽会引起电机转子磁路发生变化从而引起电机的输出转矩和振动噪声等因此通过 模拟无槽和开槽对 阶径向电磁力密度幅值影响然后将幅值导入计算软件计算声压级结果见图 发现有槽比无槽声压等级降低说明开槽有利于减少电机的振动噪声图 开槽结构42 125 250 375 500 625 750 875 10007065605550454035302520?/dB(A)?/f65.558?图 声压级对比为进一步优化开槽方式对等宽和不等宽开槽进行对比见图、图 通过 软件模拟发现等宽开槽对于电机径向电磁力密度幅值较小减低电机振动噪声明显图 等宽开槽图 不等宽开槽 电机性能仿真针对以上电机结果设计和降低电机振动噪声措施分析最终确定电机设计参数建立 轮毂电机模型见图 空载时电机磁密分布见图 通过计算发现除 次波占比.以外其余阶波含量较低电机负载时电机噪声模拟结果在()级以下比不开槽降低.见图图 模型2.50002.33332.00001.83331.65571.50001.33331.14471.00000.03330.50000.33330.15570.0000Btesta图 电机磁密分布42 125 250 375 500 625 750 875 1000706050403020?/dB(A)?/Hz?图 噪声对比 结语经过上述电机性能指标、电机主要尺寸、极槽配合、绕组等方面设计计算分析电机产生振动噪声主要原因以及对比改进降低振动噪声措施本文通过 有限元软件进行仿真模拟验证了空载和负载条件下对于 极 槽为最优方案等宽开槽结构比无槽结构可以降低电机振动噪声.优化效果明显为以后轮毂电机降低振动噪声积累了大量数据参考文献 侯俊剑张玉琦房占鹏等.某轮毂电机振动噪声优化研究.机械设计与制造():.邵昊.电动汽车轮毂电机振动及温升分析研究.刘晓荣高炜.基于 的调速永磁同步电机设计及有限元分析.防爆电机.季胜蓝邱卫东蒋志融.高速永磁同步电机转子冲片的优化设计.防爆电机.作者简介:张洪涛 男 年生毕业于长春工业大学工业自动化专业现从事电气工作.收稿日期: