張相坤，王天利，郜琪，楊 亮，張宏雙，杜志多

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001；2.錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧 錦州 121013）

基于ansoft的汽車(chē)起動(dòng)機(jī)電磁噪聲分析

張相坤1，王天利1，郜琪2，楊 亮2，張宏雙1，杜志多2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001；2.錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧 錦州 121013）

基于maxwell二維瞬態(tài)磁場(chǎng)理論，運(yùn)用ansoft算出永磁直流起動(dòng)機(jī)空載、減速過(guò)程中的齒槽轉(zhuǎn)矩與氣隙磁密，并作傅立葉分析，可以發(fā)現(xiàn)仿真出的結(jié)果與起動(dòng)機(jī)噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果關(guān)系密切，并且齒槽轉(zhuǎn)矩、氣隙磁密幅值不隨轉(zhuǎn)速變化，并且電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的齒槽轉(zhuǎn)矩周期應(yīng)為極數(shù)與轉(zhuǎn)子槽數(shù)的乘積，所得出的結(jié)果即為電機(jī)噪聲診斷提供了新的途徑，也為確定與電磁噪聲有關(guān)的主要參數(shù)及減小電機(jī)的電磁噪聲提供理論依據(jù)。

汽車(chē)；起動(dòng)機(jī)；電磁噪聲；ansoft

CLC NO.:U464.337+.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-42-04

前言

起動(dòng)機(jī)是將蓄電池提供的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，通過(guò)起動(dòng)機(jī)的齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒環(huán)嚙合，從而帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作，所以起動(dòng)機(jī)的性能是衡量汽車(chē)性能的重要指標(biāo)。起動(dòng)機(jī)的噪聲主要包括電磁噪聲/機(jī)械噪聲和空氣噪聲，其中電磁噪聲逐漸成為起動(dòng)機(jī)的主要噪聲，而電磁噪聲主要來(lái)源于起動(dòng)機(jī)電機(jī)[1，2]。

起動(dòng)機(jī)斷電后的電磁噪聲主要受電機(jī)電磁激振力及起動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)響應(yīng)的影響，而電磁激振力的來(lái)源

主要有三種：1）定轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的隨時(shí)間和空間變化的徑向電磁力，而徑向電磁力受氣隙磁密的影響。2）轉(zhuǎn)子開(kāi)槽和電流紋波導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。3）轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子偏心產(chǎn)生的不平衡磁拉力。本文主要是從前兩個(gè)方面考慮起動(dòng)機(jī)的電磁噪聲。電機(jī)電磁的計(jì)算方法雖然有許多，但存在計(jì)算精度低/過(guò)于理想化等問(wèn)題[3]。

本文采用ansoft軟件中的2D設(shè)計(jì)模塊，對(duì)6極29槽的永磁減速直流起動(dòng)機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于噪聲實(shí)驗(yàn)測(cè)得的是斷電后的噪聲，所以主要仿真在轉(zhuǎn)速不同的情況下的起動(dòng)機(jī)永磁直流電機(jī)的磁密分布圖、齒槽轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)、氣隙磁密曲線(xiàn)，并運(yùn)用matlab對(duì)氣隙磁密進(jìn)行后處理，得到氣隙磁密的頻域圖[4]。

1、基于ansoft的PMDC有限元分析

1.1 電機(jī)二維有限元模型的建立

表1 永磁直流起動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)及尺寸Tab.1 Main technical parameters and dimension of the PM starter

本文根據(jù)二位瞬態(tài)磁場(chǎng)理論，建立永磁直流電機(jī)的有限元瞬態(tài)模型，在模型的建立的過(guò)程中忽略對(duì)仿真結(jié)果影響不大的倒角及機(jī)殼上的通氣孔，并不考慮斷電后產(chǎn)生的感應(yīng)電流對(duì)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響，即認(rèn)為斷電后的永磁直流電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩即為脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。仿真對(duì)象為錦州漢拿電機(jī)有限公司的QDY 1213型起動(dòng)機(jī)其參數(shù)如表1。

圖1為永磁直流起動(dòng)機(jī)中電機(jī)的模型圖，其永磁體與轉(zhuǎn)子間的間隙并非均勻的，其氣隙間距由磁極中央向兩邊緣逐漸增大，使氣隙磁通密度在間斷位置逐漸減小，從而能降低脈動(dòng)磁力。

1.2 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格的剖分是有限元求解的基礎(chǔ)，剖分的質(zhì)量直接決定了有限元的計(jì)算精度。在ansoft中有三種剖分方法，根據(jù)仿真對(duì)象模型選用Inside Selection。Ansoft網(wǎng)格的一項(xiàng)突出的功能就是滑動(dòng)氣隙邊界發(fā)來(lái)處理電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即在氣隙中設(shè)置一條運(yùn)動(dòng)氣隙邊界，將氣隙由內(nèi)到外分成兩部分，并沿圓周方向均勻剖分氣隙邊界，邊界層的節(jié)點(diǎn)具有雙重編號(hào)，氣隙邊界以?xún)?nèi)為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，以外為靜止部分，并且邊界設(shè)置的越多計(jì)算精度越大[5]。由于本次研究對(duì)象為6極29槽起動(dòng)機(jī)，所以對(duì)網(wǎng)格劃分的要求比較高，畫(huà)三條邊界線(xiàn)，并使其網(wǎng)格尺寸劃分相對(duì)精細(xì)，如圖2所示。

2、電機(jī)特性分析

2.1 ansoft仿真分析

由于在噪聲實(shí)驗(yàn)室是空載運(yùn)行，所以電機(jī)的仿真也是進(jìn)行空載分析，在磁場(chǎng)分析中，每個(gè)被分析的問(wèn)題至少存在一種激勵(lì)源，永磁直流電機(jī)中有永磁體和繞組電流源兩種激勵(lì)。永磁體激勵(lì)在材料設(shè)

置時(shí)已經(jīng)完成，由于空載分析，所以繞組電流激勵(lì)設(shè)置為0A。分別仿真轉(zhuǎn)速在3000rpm、6000rpm、12000rpm、15000rpm時(shí)的工作狀況。由于數(shù)據(jù)量太大，以下只列出轉(zhuǎn)速在6000rpm時(shí)的磁力線(xiàn)與磁通密度云圖等運(yùn)行結(jié)果。根據(jù)磁通密度云圖和磁力線(xiàn)分布圖可以直觀(guān)的了解永磁直流電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布，以及電機(jī)二維磁場(chǎng)的飽和情況，對(duì)電機(jī)電磁力的求解和優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，減小電機(jī)振動(dòng)具有重要意義。

圖5所示為永磁直流電機(jī)空載時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩[6]。從圖中可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周的齒槽轉(zhuǎn)矩周期數(shù)為電機(jī)極數(shù)與轉(zhuǎn)子槽數(shù)的乘積；圖6為特定轉(zhuǎn)速下的齒槽轉(zhuǎn)矩的傅里葉變換圖[7]，從傅里葉變換圖中可以發(fā)現(xiàn)1200Hz、5400Hz、17400Hz的幅值比較大；根據(jù)階次與轉(zhuǎn)速、頻率之間的關(guān)系，可以得到12階、54階、174階的幅值比較大，其中174階的幅值最大，而174為轉(zhuǎn)子槽數(shù)與極數(shù)的乘積，所以可以認(rèn)為齒槽轉(zhuǎn)矩在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲頻率為17400Hz，階次為174階。圖7為對(duì)幾種轉(zhuǎn)速的傅里葉變換比較圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)齒槽轉(zhuǎn)矩的階次并不隨轉(zhuǎn)速的變化而有所改變。

圖8為轉(zhuǎn)速6000rpm時(shí)的空載氣隙磁密曲線(xiàn),

橫坐標(biāo)為弧長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為氣隙磁密，仿真對(duì)象為3對(duì)極電機(jī)，由于齒槽效應(yīng)的存在，空載時(shí)的氣隙磁密波形并非理想的梯形，這也是導(dǎo)致電機(jī)存在脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的原因；圖9為通過(guò)matlab對(duì)幾種轉(zhuǎn)速下氣隙磁密做的傅里葉分解，可以得到各轉(zhuǎn)速下氣隙磁密基波及諧波隨轉(zhuǎn)速的變化，從圖中可知?dú)庀洞琶茉陔姍C(jī)工作過(guò)程中的主要階次為29階、58階、87階、116階，其中29階的幅值最大。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10為測(cè)得的數(shù)據(jù)為4刷29槽起動(dòng)機(jī)整體的階次譜圖，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為階次，顏色的明亮代表聲壓級(jí)的大小，從圖中可以看出比較明的階次為142.1階及其整數(shù)倍，由于測(cè)得的數(shù)據(jù)為起動(dòng)機(jī)整體的噪聲，起動(dòng)機(jī)的減速比為4.9，所以對(duì)于電機(jī)主要階次為29階及其整數(shù)倍，與起動(dòng)機(jī)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩的階次和氣隙磁密的階次一致。所以電機(jī)實(shí)驗(yàn)所得的的噪聲與通過(guò)ansoft有限元分析得到的結(jié)果相一致，并且精度較高。

3、結(jié)論

本文探討了漢拿電機(jī)公司的QDY1213永磁直流起動(dòng)機(jī)的電磁噪聲，采用時(shí)步有限元法對(duì)電機(jī)的空載減速過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，得出了電機(jī)的氣隙磁密及齒槽轉(zhuǎn)矩，并用matlab對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，可以發(fā)現(xiàn)永磁直流電磁噪聲的大小與電機(jī)的轉(zhuǎn)子槽數(shù)密切相關(guān)；電磁噪聲的階次與齒槽轉(zhuǎn)矩及氣隙磁密的階次相似。所ansoft的應(yīng)用能夠在保證計(jì)算精度的前提下，減少計(jì)算量，并使電磁噪聲的計(jì)算流程化，對(duì)消弱電磁噪聲具有極大的參考價(jià)值。

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The Analysis of Electromagnetic noise of automotive starter based on ansoft

Zhang Xiangkun1, Wang Tianli1, Gao Qi2, Yang Liang2, Zhang Hongshuang1, Du Zhiduo2

（1.Liaoning University of Technology，Liaoning Jinzhou 121001；
2.JinzhouHalla ElectricalCo., Ltd., Liaoning Jinzhou 121013）

Based on the maxwell’s theory of two-dimensional tansient magnetic field, the article uses the ansoft to calculate the cogging torque and air gap magnetic flux density of the PM starter in the process of idle and deceleration, then goes on the Fourier analysis. It is demonstrated that there are close relationships between simulation results and experimental results of starter noise.Otherwise，the cogging torque and air gap magnetic flux density is not change with speed，and a number of The cogging torque cycles is the product of mangent number and rotor slot number.Those solutions not only provide a new way to test the noise of motor,but also provide a theory for determining the main parameters related to electromagnetic noise and reducing electromagnetic noise of the motor.

Car; Starter; Noise; Ansoft

U464.337+.1

A

1671-7988(2014)02-42-04

張相坤，工作單位：遼寧工業(yè)大學(xué)。