基于Surrogate方法的低速大扭矩门用电机机壳振动噪声优化.pdf

第 卷 第 期 年 月南京工程学院学报(自然科学版)().:./.投稿网址:/.基于 方法的低速大扭矩门用电机机壳振动噪声优化李 健朱松青杨 南王逸飞(南京工程学院机械工程学院 江苏 南京)摘 要:门用电机振动与噪声的研究对改善公共交通领域乘客体验有极大的促进作用.由于应用场景中机械电磁环境较为复杂基于电磁力波计算的传统永磁电机振动噪声方法存在计算不精确、多物理场耦合优化模型不紧密等问题.本文提出一种基于 方法的分数槽永磁同步电机八边形机壳设计方案通过有限元仿真获取先验数据利用克雷金法重构 数学模型经误差修正后采用搜索算法对电机机壳振动噪声进行优化.结果表明本文方法对多物理量耦合仿真优化具有较高的拟合精确度与较快的计算速度具有良好的工程可行性.关键词:门用电机机壳噪声中图分类号:收稿日期:作者简介:李健硕士研究生研究方向为机电系统集成及机器人技术.:.通讯作者:朱松青博士教授研究方向为机电系统集成设计、机电系统测试与仿真.引文格式:李健朱松青杨南等.基于 方法的低速大扭矩门用电机机壳振动噪声优化.南京工程学院学报(自然科学版)():.在公共交通电气系统中车门系统正由传统的气动门、液压门逐渐改造为电动门.门用电机属于典型的低速大扭矩工况分数槽带辅助齿的永磁同步电机是这种工况的首选.但分数槽与辅助齿会导第 卷第 期李 健等:基于 方法的低速大扭矩门用电机机壳振动噪声优化致磁场正弦性下降影响电机噪声、振动与声振粗糙度(、)性能.电机噪声按产生方式可分为机械噪声、空气动力噪声和电磁噪声.门用电机机械噪声由车体受路面不平影响产生的机械结构间相互碰撞产生幅值较小且周期不固定门用电机为低速大扭矩电机电机腔内空气碰撞摩擦产生的空气动力噪声可以忽略不计本文主要研究因电磁力波作用产生的电磁噪声.电磁噪声的产生机制为:电机运行时电磁力波作用于定子齿致使定子铁芯产生振动并传递至机壳向外辐射噪声.通过研究电磁力波探索电机定子齿、定子铁芯的振动与噪声的工作在当前学术界已有很多.文献通过优化电机极弧系数采用大小磁极结构降低了电磁力波中对电机振动噪声影响较大的相关阶次从而降低了电机振动噪声文献提出通过改变定子槽口宽度以及偏心转矩气隙的方式来抑制电磁力波的产生从而抑制电机的振动噪声.这些文献是在电机的定子和转子上寻求电机振动噪声的优化方法但是在电机的设计过程中优先考虑的是电机的运行性能.当电机设计完成需要进行振动噪声优化时改变定子或者转子结构都会较大程度影响电机电磁参数故越来越多的学者开始研究采用电机机壳参数优化来降低电机振动噪声.文献通过有限元法结合 理论和 理论的方式研究了长度、壁厚、接线盒大小以及接线盒位置等因素对表面式分数槽绕组永磁同步电机机壳轴向固有频率的影响得到圆柱形机壳轴向固有频率的计算公式从而降低电机的振动噪声文献通对电机定子与壳体之间的过盈量和不同工况下的电机温度耦合进行仿真结合有限元法和解析计算调整电机机壳和定子的过盈量使电机噪声降低了.上述研究仅对电机机壳的单个参数进行分析对于多参数间交互耦合关系的研究并不深入.这主要是因为对于机壳这类几何条件较为复杂的模型通过电磁力波理论进行推导计算的微分方程边界条件过多导致计算难度与速度要求增大.随着数学建模理论的推进通过试验与仿真数据可反向拟合复杂微分方程的解从而提供了一种定量探索多参数耦合关系的大数据方法使得对电机噪声与振动的模拟可以兼顾精度与计算速度.本文运用 软件对不同形状的八边形机壳电机的电磁力进行仿真将电磁力导入 软件的 模块和 模块仿真得到电机的噪声借助 建模优化算法对电机壳体进行优化得到噪声最低处的八边形机壳形状参数通过有限元仿真验证该方法对降低电机噪声的有效性.理论与仿真本文以一台低速大扭矩分数槽带辅助齿永磁同步门用电机为例研究四参数八边形机壳对电机噪声的影响.电机的主要参数为:额定功率为 额定转速为 /额定扭矩为 额定电压为 槽数为 极对数为.根据麦克斯韦方程可得电机转子和定子的单位气隙处的径向力为:()()式中:为空气磁导率 /为径向气隙磁密为切向气隙磁密.采用磁势磁导法的气隙磁密表达式为:()()()()式中:()为气隙磁势()为气隙磁导.电机中的气隙磁势由转子永磁体磁势和定子绕组磁势组成转子永磁体磁势表达式为:()()()式中:为永磁体磁动势幅值 为极对数 为齿中心线和永磁体中心线的夹角.定子单相绕组磁动势表达式为:()()()()南京工程学院学报(自然科学版)年 月式中:为谐波次数 为每相绕组的串联匝数为第 次谐波的绕组系数为电流有效值.结合式()至式()可得电机三相绕组磁动势以及电机的气隙磁密和气隙处的径向电磁力.径向电磁力解析计算后在 软件中对电机进行电磁仿真.在通入电流后可以得到电机的空载气隙磁密云图如图 所示.仿真与解析计算得到的电机转子和定子单位气隙处的气隙磁密有效值相互验证可进一步说明电磁仿真结果的准确性.图 电机的空载气隙磁密云图电机大多采用圆柱形机壳圆柱形机壳在装配过程中需要额外的法兰结构进行连接在一定程度上增加了成本.多边形机壳可以在不增加额外结构的情况下在边角处添加螺钉等部件进行固定装配在一定程度上节约了原材料的用量同时在工艺上可以采用冲压或拉伸来进行大规模生产.近些年关于电机多边形机壳的研究日益增多.本文以八边形机壳为例研究不同形状参数的八边形机壳对电机振动噪声的影响.机壳的具体参数如图 所示.由图 可见为了确定一个上下左右的轴对称八边形机壳最少需要边长、和角度 四个参数为了约束八边形机壳的形状、确保八边形机壳的刚度对机壳提出两点限制条件:)中心点到八边形机壳任意条边的距离 大于 、小于 .)边长、的长度大于、小于.在限制条件下对、四个参数进行随机取点共取得 组数据并在 软件中进图 八边形机壳参数行建模.为了提高仿真效率将电机模型进行简化电机简化模型如图 所示.将 软件中得到的电机电磁力耦合到 软件中并加载在定子齿上通过 模块对模型进行网格划分和接触设置.设置定子材料为硅钢片机壳材料为铝合金电机定子模型和机壳模型摩擦接触摩擦系数为.接触面过盈配合过盈量为.考虑减速器和电机转速计算得到电机的基频为.考虑电机 倍基频下的振动噪声仿真得到电机在 下的谐响应情况.选取 组不同机壳参数电机仿真中的一组其中某一齿上的电磁径向力如图 所示.由图 可见电机在二倍基频附近所受到的径向力达到高峰.图 电机简化模型图 某一齿上的径向力第 卷第 期李 健等:基于 方法的低速大扭矩门用电机机壳振动噪声优化优化电机在二倍基频下的噪声将 软件 中 模 块 的 数 据 耦 合 到 模块中.因为电机的主要噪声辐射区域在电机的侧表面故在电机侧表面 处设置空气域边界仿真空气域边界的噪声情况.当物体产生振动时振动在介质中以声波的形式进行传播声波在传播过程中会引起空气的疏密变化.引起大气压强增大或减小的变化量称为声压.声压级可以通过计权声级来表示大小.根据计权方式的不同主要分为、三种计权网络其中 计权网络对 以下低频成分有较大衰减此时测得的噪声比较接近人耳对声音的感觉因此常使用 计权声级作为噪声测量的标准.选用电机侧表面 处空气域边界在二倍基频下的平均 计权声级作为优化目标被选取组的目标平均 计权声级如图 所示.图 平均 计权声级 优化理论与优化过程 方法最早应用于地理领域随着智能算法的发展近年来 方法也被应用在多参数复杂几何结构下的性能优化.方法用相对简单的线性函数来模拟高阶非线性函数利用已有参数和目标样本建立一个 模型在验证模型的误差后用于对最优点的预测和选取.本文通过拉丁超立方抽样()方法获得样本点运用 建立模型 优化流程如图 所示.法是由 函数作为径向基函数发展而来该方法通过对比未知数据和已知数据组之间各元素的绝对距离分配权重来预测未知数据的值方程式为:()()()图 优化流程式中:为变量向量第 维中的第 个采样点为变量向量第 维中的第 个采样点为变量向量在第 维中的权重.假设预测过程符合高斯随机过程方程式为:()()()式中:为方程()中定义的相关矩阵 为常数项 为观测数据向量 为单位向量 为定义相关矩阵 ()()()().通过计算当前采样点最有可能的分布情况来求解 的参数 (其中 为节点数量 为方差值).本文的优化目标是寻找电机噪声最小值的八边形机壳参数方案该优化可描述为:优化目标电机噪声 优化变量机壳形状参数、.采用 方法选取 个点进行仿真并用仿真结果搭建模型.为了保证优化精度将仿真得到的 计权声级减去 作为目标值导入模型.将搭建好的 模型放入 工具箱用于优化最终的优化结果如表 所示优化方案参数仿真得到的电机振动情况和平均 计权声级如图 所示优化后对各参数进行敏感度分析得到、两两参数对于电机噪声影响的 图如表 优化结果方案参数/参数/参数/参数/平均 计权声级/原始方案.优化方案.南京工程学院学报(自然科学版)年 月图 所示四个参数对于电机噪声的影响敏感度如图 所示.()电机振动仿真()平均 计权声级图 电机振动仿真和平均 计权声级图 机壳参数的 图图 各参数敏感度 由表 可知通过调整电机八边形机壳的相关形状参数优化方案比原始方案降低电机噪声 计权声级.电机噪声降低了.由图 可见电机机壳参数中、对电机噪声的影响较大.由图 的机壳具体参数可知电机机壳参数、决定了机壳的大致形状并且机壳螺纹孔在参数、的夹角处电机在运行时更容易在参数、位置引起振动从而产生更多的噪声参数 对电机噪声的影响系数最小说明电机机壳夹角对电机第 卷第 期李 健等:基于 方法的低速大扭矩门用电机机壳振动噪声优化振动噪声的产生和传播影响较小.结语本文提出一种基于 方法的低速大扭矩分数槽带辅助齿永磁同步门用电机八边形机壳的设计方案用于降低电机的噪声值并对电机机壳各参数对电机噪声的影响进行了敏感性分析.优化结果在满足电机机壳形状参数的限定条件下优化方案比原始方案降低电机噪声 计权声级.电机噪声降低了.本方案对电机机壳参数进行优化可以在不调整电机电磁特性的情况下优化电机噪声通过 方法反向拟合复杂微分方程的解可以探究机壳多参数之间的耦合关系在兼顾模拟精度与计算速度的情况下对多个参数进行优化得到电机噪声最小条件下的机壳参数最优解.参考文献:./.:.():.崔康宁于慎波窦汝桐等.永磁同步电机转矩脉动和振动噪声抑制.微电机():.王虹雨.电动汽车用内置式永磁同步电机电磁噪声振动特性研究.杭州:浙江大学.钟双双.表面式分数槽绕组永磁同步电动机振动噪声特性研究.沈阳:沈阳工业大学.杨炎平.基于定子与壳体过盈配合的驱动电机噪声分析及试验研究.合肥:合肥工业大学.童莉莉余剑朱克非.电动客车用电机壳体设计.时代汽车():.邢泽智.表贴式永磁同步电机电磁激振力波的快速准确计算与分析.济南:山东大学.