车用永磁同步电机的电磁噪声优化研究.pdf

第 卷 年第 期 月.车用永磁同步电机的电磁噪声优化研究陈致初 史俊旭 周 洋 胡勇峰 杨 斌(.株洲中车时代电气股份有限公司 湖南 株洲 .懿朵信息科技(上海)有限公司 上海)摘 要:随着新能源汽车的普及 新能源电驱总成噪声问题越来越受到关注 新能源电驱总成噪声问题主要由电机本体、控制器、减速器引起 由于电机本体电磁力激励引起的噪声是主要来源 本文针对车用永磁同步电机的电磁噪声进行分析优化 通过遗传算法进行多目标寻优 降低电机本体电磁力所带来的噪声 经过计算 该优化方法可以显著降低目标电磁力 降低车用永磁同步电机的电磁噪声关键词:车用电机 电磁噪声 遗传算法 多目标寻优中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.().):().().:收稿日期:修回日期:基金项目:湖南省科技创新领军人才计划()作者简介:陈致初()男 硕士 正高级工程师 研究方向为电机、电控技术研发及产品开发通讯作者:史俊旭()男 硕士 工程师 研究方向为电机设计 引 言内置式永磁同步电机由于高效区宽、转矩密度高、结构紧凑等诸多优点而成为电动汽车的主要驱动电机类型之一 车用电机的高转矩、宽调速的牵引特性需求和小尺寸、轻量化的结构设计要求往往导致电机电磁力幅值大、电机结构刚度较差 容易产生较大的电磁振动和电磁噪声 影响新能源汽车的驾乘舒适性 因此 在电机设计时不仅需要考核电机的电磁性能指标 电机的振动噪声特性也需要引起重视电机的结构噪声是电机结构受到激振源激励而产生的 主要来源有机械振动和电磁振动 机械振动由轴承摩擦或转子不平衡等因素引起 可以通过采用低噪声轴承、提高加工工艺和装配精度等措施来改善 电磁振动由作用于定子结构上的电磁力波引起 是引起车用永磁同步电机噪声的重要因素首次提出电机电磁噪声主要由定、转子之间的径向电磁力产生 文献全面阐述了电动汽车 电机的 特性 将电机激振源归为切向电磁力和定、转子之间的径向电磁力波 文献通过优化转子隔磁桥来降低定子齿部电磁力并利用仿真与实验对比分析了优化前后的噪声结果优化后的电机在保证电磁性能的前提下有效降低了电磁噪声 文献通过在转子表面增加辅助槽削弱电机电磁噪声 加槽后 电机平均转矩基本保持不变 转矩脉动与电磁噪声均有所改善 文献对转子铁心几何参数进行了优化 削弱了共振频段 卷的径向电磁力 改善了电机电磁噪声 通常转子结构对模态影响很小 建立电机三维仿真模型时可以忽略转子结构 但高速电机或转子轴承长的特殊电机需要考虑转子结构对模型的影响 文献认为机壳端盖的质量效应要大于刚度效应 会降低电机固有频率 对电机模态影响较大由上分析 电磁力参数和结构模态参数是影响电机电磁振动噪声的两个关键因素 当电磁力空间阶次与结构模态阶次相同并且电磁力频率与结构模态固有频率接近时 会产生较大的噪声峰值点由于车用电机处于一个宽调速的工况 电磁力频率与结构模态固有频率接近也很难避免 通过结构模态频率优化很难降低电机全转速域噪声特性 因此有必要研究电机电磁力优化措施 降低激励力的幅值特性 达到电磁噪声优化的目的本文针对一款车用电机结构噪声进行优化 首先确定需要优化的电磁力空间阶次和频率阶次 再以转子设计参数为优化变量 通过遗传算法进行多目标寻优 达到优化电磁噪声的目的 问题分析电机电磁力的计算主要分为两部分:切向电磁力(即转矩)和径向电磁力 一般来说 电磁力的计算方法有两种:虚功法和 张量法 考虑到 张量法计算需要保存场数据 计算量较大而且在定子齿数足够的情况下 虚功法计算的集中力具有足够的空间采样频率 计算结果也十分准确因此本文采取虚功法进行计算 径向电磁力通过定子齿上的集中力来表征 如图 所示 电磁力基本集中在定子齿顶部 在/齿高的区域切开视为集中力的计算区域图 定子齿部电磁力示意图本文中所计算的电机为永磁同步电机 磁钢结构采取双 形 其转子模型如图 所示 具体的电机主要参数如表 所示 由于在计算噪声的过程中 噪声是与结构的模态参数强相关的 电机的电磁力需要加载在实际的电驱总成模型上 计算的噪声结果才能更接近真实工况 加载的电驱总成模型如图 所示图 转子模型示意图表 电机主要参数参数参数值峰值功率/直流母线电压/最大电流/连接方式极对数槽数绕组层数转速范围/(/)图 电驱总成模型 评价电机噪声一般分析大扭矩工况和小扭矩工况 本文根据电磁力数据计算了全电门()工况和 电门开度()工况下的噪声结果 如图 所示 由于电驱噪声的峰值主要集中在 /因此本文主要分析优化 /范围内的噪声特性 从图中可以看出 大扭矩工况下噪声的峰值主要由空间 阶的径向力 转矩谐波以及空间 阶 转频 径向力引起 小扭矩工况下噪声的峰值主要是 转矩谐波 空间 阶的径向力为 极电机的基波 在保持输出转矩的情况下 其幅值难以削减 因此本文主要考虑 /时 转矩谐波(即齿谐波)和 /时 径向力 图、图 分别为 工况与 工况下主要的转矩谐波和径向力数据 由图、图 可知 转矩谐波和 径向力较大 因此本文将优化目标定为大 期陈致初等:车用永磁同步电机的电磁噪声优化研究扭矩工况的 转矩谐波和 径向力、小扭矩工况的 转矩谐波图 原方案计算等效声功率图 原方案 工况电磁力谐波图 原方案 工况电磁力谐波 优化方法本文采取 遗传算法对电机 进行优化设计 使用快速非支配排序法、采用精英策略与计算拥挤度将复杂度降低至()大大减少了计算方案数 能够更加快速地得到全局最优解 其中 为目标数 为种群数 具体的筛选流程如图 所示结合本文计算模型 具体计算流程如下:()建立电机参数化模型()确定计算工况点()确定优化变量、范围()确定几何约束()确定性能约束条件()确定优化目标图 流程图 优化变量的选取本文的参数化模型为整个转子拓扑 参与优化的变量为转子辅助槽的尺寸、两层隔磁桥的厚度和长度、两层磁钢的夹角、厚度和长度以及一些圆角 卷半径等共计 个变量 如图 所示 为优化变量的示意图图 转子参数化模型示意图 计算工况点的选取考虑到计算量巨大 不可能采取计算所有工况点参与优化的方式 通常仅计算必要的工况点 如第一章所述 需要计算 工况的/以及/电磁力 的 /电磁力另外为了保证优化过程中电机的路谱效率不减少同时计算 /时的工况数据 把该工况的铁耗作为约束条件 如图 所示 /工况点基本涵盖了大部分路谱工作点 对于路谱效率 主要考虑绕组铜耗和铁耗 一般而言 在转矩性能基本不变的情况下铜耗不变 路谱效率变化主要考虑低扭矩区的铁耗 只要约束 /工况点的铁耗 路谱效率就不会降低因此加入 /工况点的铁耗计算 所有计算工况点如表 所示图 路谱工作点分布图表 计算工况点工况点参数/转矩/径向电磁力/转矩 /铁耗 几何约束参数化转子模型由于有很多圆角 常存在几何干涉 转子几何模型的合理性主要分为三类 第一类是连续轮廓无交点 第二类是不同轮廓无交点第三类是限制几何最小尺寸 以满足机械强度 本文的转子模型要求隔磁桥不小于 性能约束与优化目标遗传算法可以规避大量优化效果不佳的优化方案 但当优化目标过多时 常面临优化目标权重分配的问题 在工程应用中 当优化目标超过 个权重分配不合理将导致难以获得最优解 经过研究把部分优化目标视为强约束条件 优化目标控制在 个以内 其效果往往较好 当某个性能参数偏离约束条件时 目标函数在原值基础上会减去惩罚项的值 该个体对应的适应度值也会下降 被淘汰的概率上升 因此惩罚项起到了变相约束的作用 同时将有约束问题转换为无约束问题 本案例中将峰值转矩、铁耗、径向力作为约束条件 大扭矩和小扭矩工况 转矩谐波作为优化目标 优化方案输出根据上述计算设置 经过 多代计算 优化目标已呈现明显的 前沿 如图 所示 图中横坐标为小扭矩 转矩谐波 纵坐标为大扭矩 转矩谐波 菱形小方框为原始方案的结果 圆形小方框为优化方案结果 选取过程中 使大扭矩和小扭矩 转矩谐波接近并尽可能小 使得低频噪声峰值较低 可以看出 优化后的大扭矩和小扭矩转矩谐波相比原方案大幅度降低图 迭代结果 结果对比根据图 所选的优化方案 计算其主要电磁力谐波 如图 和图 所示 通过对比 工况下 转矩谐波/降低至原方案的/左右 其他次谐波有小幅上升 但对噪声贡献量小可忽略不计 径向力 /降低至原方案的/工况下 转矩谐波 /降低至原方案的/由于小扭矩工况下 整体电磁力谐波幅值都较小 其噪声水平也较低 其他谐波不予讨论 期陈致初等:车用永磁同步电机的电磁噪声优化研究图 工况电磁力谐波 原方案与优化方案对比图 工况电磁力谐波 原方案与优化方案对比 优化方案的关键电磁力谐波都大幅下降 通过计算 其 等 效 声 功 率 优 化 方 案 的 工 况 和工况的噪声结果如图 所示图 优化方案计算等效声功率为了清晰对比优化方案和原方案的噪声 降噪量数据显示在表 中 其中仿真降噪量是图 和图 的峰值点差值 理论降噪量由(/)计算而来由表 可知 虽然理论降噪量和仿真降噪量存在一定差异 但总体趋势一致 优化方案关键的噪声峰值点都得到了较大幅度的降低表 降噪量电磁力理论降噪量仿真降噪量(/)(/)(/)结 论本文研究了基于遗传算法多目标寻优的车用永磁同步电机电磁噪声优化方法 研究的主要结论如下:()运用遗传算法优化车用永磁同步电机的电 卷磁噪声 以转子辅助槽尺寸、隔磁桥尺寸、磁钢尺寸及夹角为优化变量 电机在优化后最大降噪量达到 显著提高了产品的 性能()针对多目标优化的权重分配问题 本文将部分优化目标视为强约束条件 通过将峰值转矩、铁耗、径向力作为约束条件 大扭矩和小扭矩工况 转矩谐波作为优化目标 获得了降噪效果显著的优化方案()通过多物理场分析方法对车用电机电磁噪声问题进行识别 规范了车用电机电磁噪声问题优化时变量选择、目标选择、约束条件的制定基本原理本文优化方法显著降低了车用电机的电磁噪声 为车用电机电磁噪声问题分析优化提供了一种有效的思路参考文献 .:.:.():.王晓远 贺晓钰 高鹏.电动汽车用 型磁钢转子永磁电机的电磁振动噪声削弱方法研究.中国电机工程学报 ():.乔琰 刘景林 王丹青.商用电动车用永磁同步电机电磁振动噪声削弱方法.微电机 ():.胡溧 张桐 袁爽 等.加速工况下永磁同步电机电磁噪声分析与优化.微电机 ():.():.():.苏辉 张立军 孟德建 等.车用永磁同步电机电磁振动噪声仿真和试验研究.振动与冲击 ():.():.:.():.(上接第 页).():.刘细平 胡卫平 邹永玲 等.改进粒子群算法的永磁同步电机多参数辨识.电机与控制学报 ():.():.荀倩 王培良 李祖欣 等.基于递推最小二乘法的永磁伺服系统参数辨识.电工技术学报 ():.李旭春 张鹏 严乐阳 等.具有参数辨识的永磁同步电机无位置传感器控制.电工技术学报 ():.张梓绥 王琛琛 游小杰 等.基于单 轴电流调节器的永磁同步电机电流轨迹控制.电工技术学报 ():.徐波 沈海峰.含不确定参数的永磁同步电机位置自适应控制.电机与控报 ():.微电机(月刊)全年 期 读者可到当地邮局订阅 本刊亦可破订、零购邮发代号:订价:元/期年价:元/年编辑部邮购(含快递费):元/年欢迎投稿!欢迎订阅!欢迎刊登广告!国内刊号:/国际刊号:邮箱:地址:高新区上林苑四路 号()电话: