吳 爽， 于 蓬， 章 桐，2

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804;2.同濟(jì)大學(xué)新能源工程中心，上海 201804)

0 引言

驅(qū)動電機(jī)是電動汽車的關(guān)鍵部件之一，為了保證電動汽車的行駛穩(wěn)定性和舒適性，對電機(jī)的性能提出了更高的要求.本文主要針對電機(jī)的電磁噪聲展開研究.電磁噪聲由電磁振動產(chǎn)生，電磁振動則由電機(jī)的空氣隙中，定、轉(zhuǎn)子繞組電流建立的磁場的相互作用下所產(chǎn)生的周期力引起.

S.J.Yang總結(jié)出了電機(jī)產(chǎn)生的噪聲與噪聲源及其響應(yīng)，以及作為噪聲源的裝置的輻射特性有關(guān)，第一次提出了近似共振的概念[1];文獻(xiàn)[2]對感應(yīng)電動機(jī)、同步電動機(jī)和直流電動機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了更詳盡和系統(tǒng)的研究，提出徑向力波的概念，對徑向力的頻率成分進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;代穎等對電動車驅(qū)動用永磁同步電機(jī)進(jìn)行了力矩特性的研究[3];宋志環(huán)等進(jìn)行了不同極槽配合永磁同步電動機(jī)振動噪聲分析[4];高學(xué)聯(lián)對電動汽車用永磁無刷電動機(jī)進(jìn)行了研究[5].

本文以某電動小車的永磁同步驅(qū)動電機(jī)的電磁特性為對象進(jìn)行分析和研究，采用Ansoft軟件建立其二維模型，對電機(jī)的氣隙磁密時間分布和空間分布進(jìn)行仿真，計(jì)算得到電機(jī)的徑向電磁力波.

1 永磁電機(jī)二維仿真模型

1.1 模型建立

利用Ansoft Maxwell中的RMxprt模塊對45kw永磁同步電機(jī)進(jìn)行建模，本文研究的為電動汽車驅(qū)動用永磁電機(jī).通過實(shí)地觀測得到電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，對電機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的轉(zhuǎn)子進(jìn)行CAD建模.

圖1 電機(jī)二維仿真模型

表1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

運(yùn)用 Ansoft軟件后其中的 RMxprt模塊對45kW電機(jī)定子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體材料進(jìn)行定義，生成電機(jī)的二維模型.模型建立后利用該模塊的一鍵式直接導(dǎo)入2D界面的功能，自動完成45kW電機(jī)Maxwell 2D模型的建立.同時將CAD建立的轉(zhuǎn)子的模型導(dǎo)入到該二維模型中，取代其自動生成的轉(zhuǎn)子模型，電機(jī)的二維建模完成.

1.2 模型驗(yàn)證

對電機(jī)施加三相正弦電流作為電機(jī)的激勵源，以額定負(fù)載轉(zhuǎn)速3000rpm為例，三相激勵電流如圖2所示.

圖2 3000rpm時電機(jī)三相激勵電流

圖3 各轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)測得和仿真得到的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

圖4 定子內(nèi)表面圓周的氣隙磁密空間分布

通過給定負(fù)載正弦波激勵電流和恒定轉(zhuǎn)速，將仿真得到的輸出轉(zhuǎn)矩與實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證.圖3為各轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)和仿真得到的電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩.可知軟件仿真得到的各轉(zhuǎn)速下的負(fù)載輸出轉(zhuǎn)矩與實(shí)驗(yàn)得到的各轉(zhuǎn)速下的負(fù)載輸出轉(zhuǎn)矩基本吻合，驗(yàn)證了軟件仿真模型的正確性，即對于對稱布置永磁體，不考慮端部效應(yīng)的永磁同步電機(jī)可以采用二維模型替代三維模型的簡化方式，對電機(jī)的性能進(jìn)行仿真.

2 永磁電機(jī)仿真分析

2.1 空載分析

為了方便空載工況的計(jì)算，將激勵電流值設(shè)為0，對額定轉(zhuǎn)速3000rpm進(jìn)行了仿真，得到定子內(nèi)表面圓周的氣隙磁密空間分布如圖4所示，電機(jī)定子內(nèi)表面某點(diǎn)的氣隙磁密時間分布如圖5所示.

圖5 定子內(nèi)表面某點(diǎn)的氣隙磁密時間分布

圖6 3000rpm時電機(jī)定子內(nèi)表面某點(diǎn)的氣隙磁密時間分布

圖7 3000rpm時電機(jī)定子內(nèi)表面某點(diǎn)的氣隙磁密時間分布諧波分析

圖4為定子內(nèi)表面圓周的氣隙磁密空間分布，從整體上來看與空間點(diǎn)的氣隙磁密時間分布波形較為相似，都類似矩形波，且有一段時間內(nèi)氣隙磁密為0.但氣隙磁密空間分布上每個波峰波谷處都有極大的波動，幅度達(dá)到0.6T.圖5所示為電機(jī)定子內(nèi)表面某點(diǎn)的氣隙磁密時間分布，圖中曲線光滑，氣隙磁密呈現(xiàn)類似矩形波形狀，氣隙磁密的最大值約為0.8T，且波形之間有一段時間的延遲，即某一段時間氣隙磁密為0.

圖8 3000rpm時電機(jī)定子內(nèi)表面氣隙磁密空間分布

2.2 負(fù)載分析

2.2.1 氣隙磁密時間分布和空間分布

給定相應(yīng)的正弦波激勵電流，對不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)的穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行仿真分析，可以得到氣隙磁密的時間分布和空間分布.

以額定負(fù)載轉(zhuǎn)速3000rpm為例，得到電機(jī)定子內(nèi)表面某點(diǎn)的氣隙磁密時間分布如圖6所示，諧波分析如圖7所示.表2為對各轉(zhuǎn)速下該點(diǎn)氣隙磁密時間分布圖進(jìn)行諧波分析后得到的諧波幅值最大處頻率.

表2 諧波幅值最大處頻率及氣隙磁密大小

結(jié)合表2和圖7可以看出，在各個轉(zhuǎn)速下，氣隙磁密的基頻與激勵電流的頻率保持一致;基頻處的幅值最高，約為諧波最大幅值的6～7倍.之后的幅值高點(diǎn)出現(xiàn)在3倍頻，5倍頻，7倍頻，9倍頻，11倍頻處，其中7倍頻處的幅值在這些倍頻中最大.從走向趨勢上來看，從1000rpm到7000rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)基頻及各倍頻處的幅值都隨著轉(zhuǎn)速的變大呈現(xiàn)下降的趨勢.7000rpm到9000rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)基頻處的幅值則隨著轉(zhuǎn)速的增加而略有增長.整體而言，基頻隨著激勵電流頻率的增大而增大，在高轉(zhuǎn)速時，5000Hz內(nèi)氣隙磁密諧波的成分較低轉(zhuǎn)速時明顯減少，幅值也較低.

電機(jī)定子內(nèi)表面周向的氣隙磁密分布如圖8所示.電機(jī)有4對極，即一共8極，所以在一周范圍內(nèi)氣隙磁密共有4個波峰和4個波谷，對應(yīng)該極的氣隙磁密最大處.負(fù)載時的氣隙磁密隨定子內(nèi)表面的空間分布與激勵電流的正弦波形相似，不同于空載時類似矩形波的氣隙磁密空間分布波形.從圖中可以得到，氣隙磁密的最大值約為1.4T，每隔45°出現(xiàn)一個波峰或波谷，而且越靠近峰值處，氣隙磁密的波動越大，當(dāng)接近0時，則基本無波動，與空載時的變化趨勢相似.這是由于定子繞組槽對氣隙磁密的影響，所以在某空間點(diǎn)氣隙磁密沿時間分布圖上并沒有這種波動現(xiàn)象.

2.2.2 徑向電磁力時間分布

圖9 3000rpm負(fù)載轉(zhuǎn)速下電機(jī)定子內(nèi)表面某點(diǎn)的徑向電磁力時間分布

圖10 3000rpm時電機(jī)定子內(nèi)表面某點(diǎn)的徑向電磁力的諧波分析

表3 諧波幅值最大處頻率及徑向電磁力波大小

以額定轉(zhuǎn)速負(fù)載穩(wěn)態(tài)工況為例，得到該空間點(diǎn)的徑向電磁力時間分布和諧波分析.從圖10可得3000rpm負(fù)載轉(zhuǎn)速下該點(diǎn)的徑向電磁力的諧波分析的最大值出現(xiàn)在頻率為0處，為2.649×105N/m2.諧波幅值呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速增加而減小的趨勢，與氣隙磁密的變化基本相同.

各轉(zhuǎn)速下徑向電磁力的諧波幅值最大處的頻率及其幅值大小如表3所示.將表2與表3比較可知，徑向力波的頻率為激勵電流頻率的2倍，即f=2f1r(r=1，2，3，…)，f1為激勵電流頻率，及激勵電流的頻率.由此可得，同步電機(jī)的電磁噪聲和振動頻率與電網(wǎng)頻率成整數(shù)倍的關(guān)系，當(dāng)電網(wǎng)頻率為50Hz時，同步電機(jī)的振動和噪聲頻率為100的倍數(shù)，這也是同步電機(jī)與異步電機(jī)在振動和噪聲方面的區(qū)別所在.而對于本文研究的電動汽車驅(qū)動用調(diào)速永磁同步電機(jī)來說，為了滿足盡可能增大輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍的要求，采用變頻器供電的情況下，各轉(zhuǎn)速的徑向力波的諧波頻率分布較為密集，易與定子產(chǎn)生共振效應(yīng)，產(chǎn)生劇烈的振動.

3 結(jié)論

電機(jī)的電磁振動和噪聲是由作用于電機(jī)定子上的徑向電磁力波和切向轉(zhuǎn)矩波動引起的，本文從徑向電磁力波入手，對永磁同步驅(qū)動電機(jī)的空載和負(fù)載穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行了分析研究.

(1)對于對稱分布的調(diào)速永磁同步電機(jī)可以通過二維模型代替三維模型進(jìn)行仿真.

(2)氣隙磁密的時間分布和空間分布隨轉(zhuǎn)速的增加幅值減小.從其諧波分析可以得到基波時的幅值最大，分布在5000Hz內(nèi)的諧波數(shù)量和幅值也呈減小趨勢.

(3)徑向力波在頻率為二倍激勵電流頻率時的諧波幅值最大，諧波幅值也隨轉(zhuǎn)速的增加而減小.

[1]J.Ellison，S.J.Yang.Calculation of Acoustic Power Radiated by Electric Machine[J].Acoustics，1971，(25):28 － 34.

[2]S.J.Yang.Low Noise Electrical Motors[M].Clarendon Press，Oxford，1981.

[3]代穎，崔淑梅.電動車驅(qū)動用永磁同步電機(jī)力矩特性的研究[J].高技術(shù)通訊，2005，15(12):64 －67.

[4]宋志環(huán)，韓雪巖，陳麗香，唐任遠(yuǎn).不同極槽配合永磁同步電動機(jī)振動噪聲分析[J].微電機(jī)，2007，40(12):11 －14.

[5]高學(xué)聯(lián).電動汽車用永磁無刷電動研究[D].山東大學(xué)，2010.

[6]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[7]陳永校.電機(jī)噪聲的分析和控制[M].杭州:浙江大學(xué)出版社，1987.