郭 榮，馬 飛，鄒 檸，高路路

(北京科技大學(xué)，北京 100083)

0 引 言

隨著環(huán)境污染以及能源日趨緊張的問題，電驅(qū)動車輛迅速發(fā)展[1]。礦用電驅(qū)動汽車已經(jīng)逐漸成為礦山的主要運(yùn)輸工具，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、傳動部件少、傳動效率高、噪聲振動相對較小等特點[2]。盡管如此，礦用電驅(qū)動汽車振動與噪聲依然影響整車的舒適性，危害人體健康。礦用電驅(qū)動汽車由于沒有傳統(tǒng)的離合器、變速器和傳動軸等結(jié)構(gòu)，減少了部分結(jié)構(gòu)引起的振動與噪聲，致使驅(qū)動電機(jī)的振動與噪聲成為整車振動與噪聲的主要來源之一[3，4]。因此，對礦用驅(qū)動電機(jī)聲振特性的研究成為礦用汽車整車振動與噪聲控制的關(guān)鍵問題。

電機(jī)的振動噪聲是評定電機(jī)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，其涉及電磁學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、聲學(xué)和信號分析等諸多專業(yè)知識，問題復(fù)雜程度較高，分析難度較大。學(xué)者們針對驅(qū)動電機(jī)的振動與噪聲問題進(jìn)行了大量的研究，并取得很多重要成果。YU[5]等人通過仿真與試驗結(jié)合的方法，分析了電驅(qū)動汽車輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動帶來的高頻振動特性。ISLAM[6]等人采用有限元仿真分析法，分析了永磁同步電機(jī)中電磁引起的振動機(jī)理，并研究了電機(jī)部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)對振動的影響。代穎[7]等人采用有限元仿真方法，針對電動汽車驅(qū)動異步電機(jī)的電磁振動及噪聲抑制問題，研究了危險電磁力波的幅值和頻率等，通過模態(tài)分析研究了電磁噪聲特性，并將空載試驗與仿真結(jié)果對比驗證，說明分析的正確性。倪明明[8]等人采用數(shù)值仿真方法，分析了電動汽車用永磁電機(jī)電磁聲振特性。相龍洋[9]等通過整車聲振測試和臺架試驗，研究了電動汽車永磁驅(qū)動電機(jī)對車內(nèi)振動與噪聲的貢獻(xiàn)以及聲振特性主要特征頻率。由上述分析可知，以往的研究主要針對普通工業(yè)電機(jī)和電驅(qū)動轎車驅(qū)動電機(jī)，而對于礦用驅(qū)動電機(jī)的研究較少。

本文主要搭建了礦用驅(qū)動電機(jī)試驗平臺，通過試驗平臺對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行聲振測試，結(jié)合頻譜分析和相干分析對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定了礦用驅(qū)動電機(jī)聲振主要特征頻率和聲振源，基于試驗分析結(jié)果，提出了驅(qū)動電機(jī)減振降噪的措施。

1 驅(qū)動電機(jī)聲振臺架試驗

1.1 聲振試驗平臺的搭建

由負(fù)載電機(jī)、測試驅(qū)動電機(jī)、變頻器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等搭建了電驅(qū)動礦用汽車驅(qū)動電機(jī)聲振測試平臺，如圖1所示。

圖1 礦用驅(qū)動電機(jī)測試平臺

由于驅(qū)動電機(jī)載荷的變化對機(jī)械和電磁噪聲均有較大影響，而普通的電機(jī)聲振測試沒有考慮負(fù)載因素，僅是空載工況。因此，為模擬驅(qū)動電機(jī)的負(fù)載工況，在試驗平臺中加入了負(fù)載電機(jī)。負(fù)載電機(jī)通過聯(lián)軸器、機(jī)械飛輪慣量、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器與測試驅(qū)動電機(jī)相連。測試過程中，由負(fù)載電機(jī)提供被測電機(jī)的負(fù)載，通過變頻器控制被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。試驗驅(qū)動電機(jī)為礦用三相交流異步電機(jī)。

為測試驅(qū)動電機(jī)的振動特性，在電機(jī)的殼體、基座和端蓋位置布置了4個三軸加速度傳感器，如圖2所示。對電機(jī)進(jìn)行噪聲測試時，首先考慮測點的選擇，測點選擇是否恰當(dāng)，對之后的試驗有嚴(yán)重的影響。參照國標(biāo)GB/T 10069.1-2006(旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測定方法及限值)，選取了4個聲壓測點對電機(jī)進(jìn)行測試，采用的傳感器為40PH陣列式麥克風(fēng)，麥克風(fēng)位置如圖3所示。

圖2 電機(jī)振動測點布置圖

圖3 電機(jī)噪聲測點布置圖

1.2 試驗過程

為保證數(shù)據(jù)的正確性，對傳感器進(jìn)行校正，測得試驗環(huán)境背景噪聲為55 dB(A)。設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出為最大轉(zhuǎn)矩的0.5倍，均勻選取600～1 800 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的7個不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗。變頻器起動電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速為待測轉(zhuǎn)速，等待電機(jī)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，開始測取信號并記錄試驗數(shù)據(jù)。測取數(shù)據(jù)時長為2 s。采用斷電法采集電機(jī)斷電前后的聲振信號。

2 試驗數(shù)據(jù)分析和處理

應(yīng)用工程信號處理技術(shù)中的頻譜分析和相干分析對采集到的振動和噪聲信號進(jìn)行分析。

2.1 電機(jī)振動分析

對比分析同一測點的X，Y，Z各向振動加速度幅值發(fā)現(xiàn)，X軸方向(電機(jī)軸向)的振動加速度幅值相對于Y軸和Z軸(電機(jī)徑向)較小。故選取轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min時4個測點振動傳感器的Y軸(徑向)振動數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析，得到4個測點的頻譜圖，如圖4所示。

圖4 不同測點徑向振動頻譜圖

由圖4可知，4個測點的峰值頻率基本相同，幅值大小不同，且3號測點的振動幅值最大，即電機(jī)機(jī)座處徑向振動幅值最大，該點數(shù)據(jù)對分析比較有利。分析測點3不同轉(zhuǎn)速下的振動數(shù)據(jù)，得到測點3徑向振動的瀑布圖，如圖5所示。

圖5 3號測點徑向振動瀑布圖

由圖5可知，電機(jī)的徑向振動頻率主要在范圍2.5～5 kHz，并且隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，存在較為顯著隨之變化的倍頻成分；隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，電機(jī)振動的各倍頻峰值隨之增大。

1)低頻段振動分析

對電機(jī)振動譜圖的低頻段(0～300 Hz)進(jìn)行分析，由圖5可得，振動頻譜在低頻段主要存在2～5個最為明顯的峰值，不同轉(zhuǎn)速的低頻段峰值頻率統(tǒng)計如表1所示。

表1 各轉(zhuǎn)速振動低頻峰值統(tǒng)計表

由表1數(shù)據(jù)可知，低頻段的振動頻譜在基頻f=n/60(電機(jī)轉(zhuǎn)頻)及其倍頻處存在明顯的峰值，說明轉(zhuǎn)子不平衡是導(dǎo)致低頻諧波產(chǎn)生的主要原因。

2)中高頻段振動分析

由圖5可知，電機(jī)中高頻段的振動能量集中在2.5～5 kHz內(nèi)，對不同轉(zhuǎn)速下的振動高頻段分析，在高頻段主要存在2個最明顯的峰值。不同轉(zhuǎn)速的高頻段峰值頻率和對應(yīng)的Z值統(tǒng)計如表2所示，且基本滿足：

(1)

式中：Z為諧波次數(shù)；Q為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，Q=33；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；f0為電源頻率；p為電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極極對數(shù)，p=3。

由此表明，中高頻段的振動主要是由作用在定子上的徑向磁拉力產(chǎn)生的齒諧波引起的，其中徑向磁拉力頻率為2倍電源頻率。

表2 各轉(zhuǎn)速下振動高頻段峰值統(tǒng)計表

3)斷電分析

驅(qū)動電機(jī)的振動主要有兩方面引起：轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動和電磁力引起的振動。在正常運(yùn)行情況下，這兩種振動成分同時存在。但當(dāng)電機(jī)瞬間斷電，電磁力引起的振動能量因電流的消失瞬間下降。而由轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動頻率能量與斷電前基本保持不變(系統(tǒng)具有慣性，轉(zhuǎn)速基本保持不變)。因此，振動諧頻的來源可以由斷電前后諧頻幅值的變化來進(jìn)行分析[9]。

電機(jī)突然斷電前后振動時域如圖6所示。由圖6中的振動加速度幅值變化趨勢可知，在3.15 s時電機(jī)振動幅值突然下降，由此推斷電機(jī)在該時刻被突然斷電。

圖6 電機(jī)突然斷電前后振動時域圖

對斷電前后的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到斷電前后電機(jī)振動的頻譜圖，如圖7、圖8所示。對比圖7、圖8可知，與斷電前頻譜相比，斷電后頻譜圖中的高頻能量部分消失，即圖7中幅值相對較低、較平坦部分是由轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動，而圖7中幅值較大的高頻成分是由電磁力波引起的。

圖7 電機(jī)突然斷電前振動頻譜圖

圖8 電機(jī)突然斷電后振動頻譜圖

綜上所述，驅(qū)動電機(jī)振動的低頻(0～300 Hz)諧波主要是由機(jī)械力波(轉(zhuǎn)子不平衡)引起的，中高頻諧波(2 500～5 000 Hz)主要是由電磁力波引起的。

2.2 電機(jī)噪聲分析

由4個噪聲測點的測試數(shù)據(jù)得到不同轉(zhuǎn)速下的A計權(quán)聲壓級變化趨勢，如圖9所示。從圖9中可以看出，4個噪聲測點測出的分貝值基本上隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，且各測點的變化趨勢基本相同，測點1測得的噪聲值最大，故后續(xù)噪聲分析采用測點1的測試數(shù)據(jù)。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)A計權(quán)聲壓級

圖10 電機(jī)噪聲瀑布圖

將測點1的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到電機(jī)噪聲瀑布圖，如圖10所示。對比分析不同轉(zhuǎn)速下的噪聲頻譜曲線可知，噪聲的主要能量主要集中在0～300 Hz。與電機(jī)徑向振動頻譜類似，有顯著的倍頻成分隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，并且中高頻段的幅值明顯比較低。

1)低頻段分析

對電機(jī)噪聲頻譜圖的低頻段(0～300 Hz)進(jìn)行分析。由圖10可知，在低頻段主要存在2～4個最為明顯的峰值，將不同轉(zhuǎn)速的低頻段峰值頻率統(tǒng)計，如表3所示。由表3中數(shù)據(jù)可知，噪聲頻譜低頻段在基頻f=n/60(電機(jī)轉(zhuǎn)頻)及其倍頻處存在明顯的峰值，說明低頻段處噪聲主要是由轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的振動向外輻射引起的。

表3 各轉(zhuǎn)速下噪聲低頻段峰值

2)中高頻段分析

由圖10可知，電機(jī)噪聲的能量主要集中在0～300Hz的低頻段，中高頻段的噪聲能量較低。分析高頻段可知，主要存在2個最為明顯的峰值，不同轉(zhuǎn)速的高頻段峰值頻率和對應(yīng)的Z值與振動高頻段峰值一致，具體數(shù)據(jù)如表2所示，且基本滿足式(1)。由此表明，此頻段的噪聲主要是由徑向磁拉力引起的脈沖噪聲，發(fā)生的頻率為電源頻率的2倍，其中由齒諧波引發(fā)的噪聲是主要組成部分。

2.3 振動噪聲相干分析

由表1～表3可知，電機(jī)振動頻譜圖與噪聲譜圖在低頻段與高頻段的各主要峰值頻率基本一致。在低頻段和高頻段分別對電機(jī)徑向振動信號和噪聲信號進(jìn)行相干分析，得到的結(jié)果如表4和表5所示。

表4 噪聲與徑向振動低頻段相干系數(shù)

得到的數(shù)據(jù)表明，各頻段的相干系數(shù)在電機(jī)噪聲的主要峰值頻率處基本都在0.7以上。由此說明，電機(jī)噪聲的主要來源是電機(jī)振動，驗證了上節(jié)噪聲分析中得出的結(jié)論。

表5 噪聲與徑向振動高頻段相干系數(shù)

3 減振降噪措施

由試驗分析結(jié)果可知，驅(qū)動電機(jī)的振動與噪聲主要是由轉(zhuǎn)子不平衡和電磁力波引起的振動以及由此產(chǎn)生的噪聲，因此可以從轉(zhuǎn)子不平衡和電磁力波2個方面進(jìn)行減振降噪措施。

(1)定、轉(zhuǎn)子設(shè)計盡量對稱均勻，特別是定子線圈與定子之間要固定牢靠，力求保證較好的轉(zhuǎn)子動平衡度。

(2)改變轉(zhuǎn)子槽數(shù)(齒數(shù))，防止定、轉(zhuǎn)子齒諧波磁勢因具有相同的極數(shù)而產(chǎn)生一系列的諧波轉(zhuǎn)矩，從而降低振動及噪聲。

4 結(jié) 語

1)電機(jī)機(jī)座處的振動最為嚴(yán)重，包括由轉(zhuǎn)子不平衡等機(jī)械作用產(chǎn)生的低頻段(0～300Hz)以及電磁力波產(chǎn)生的中高頻段(2 500～5 000Hz)。其中高頻段幅值比低頻段幅值大。

2)電機(jī)噪聲主要是由電機(jī)振動向外輻射而產(chǎn)生，主要集中在300Hz以下，低頻段(0～300Hz)表明驅(qū)動電機(jī)噪聲在低頻段的噪聲主要是由轉(zhuǎn)子不平衡等機(jī)械振動引起的。高頻段(2 500～5 000Hz)主要由電磁力波引起，幅值相對較小。

3)基于試驗結(jié)論，針對驅(qū)動電機(jī)的振動與噪聲可以采取如下改善措施：定、轉(zhuǎn)子設(shè)計盡量對稱均勻，以保證良好的轉(zhuǎn)子動平衡度；改變轉(zhuǎn)子槽數(shù)(齒數(shù))，防止諧波轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。本研究為礦用汽車驅(qū)動電機(jī)和整車噪聲與振動控制提供理論依據(jù)。

[1] 徐智威, 胡澤春, 宋永華,等. 基于動態(tài)分時電價的電動汽車充電站有序充電策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2014, 34(22): 3638-3646.

[2] 靳添絮, 商鐵軍, 劉立. 百噸級交流電傳動礦用自卸車中基于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器的變結(jié)構(gòu)控制[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 44(S1): 123-127.

[3] 周俊, 黃先鋒. 關(guān)于電機(jī)噪聲和振動的探討[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2016, 43(12): 68-70.

[4] 盧南方, 雷小葉, 楊立, 等. 外轉(zhuǎn)子永磁高速電機(jī)轉(zhuǎn)子振動特性分析[J]. 微特電機(jī), 2017, 44(3): 20-22.

[5] Mao Y, Zuo S, Wu X, et al. High frequency vibration characteristics of electric wheel system under in-wheel motor torque ripple[J]. Journal of Sound and Vibration, 2017, 400: 442-456.

[6] ISLAM M S, ISLAM R, SEBASTIAN T. Noise and Vibration Characteristics of Permanent-Magnet Synchronous Motors Using Electromagnetic and Structural Analyses[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2014, 50(5): 3214-3222.

[7] 代穎, 崔淑梅, 張千帆. 車用異步電機(jī)的電磁振動/噪聲分析(英文)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2012, 32(33): 89-97.

[8] 倪明明, 廖連瑩, 左言言, 等. 車用永磁電機(jī)電磁振動與噪聲分析[J]. 微特電機(jī), 2015, 43(3): 9-13.

[9] 相龍洋, 左曙光, 何呂昌, 等. 電動汽車及其驅(qū)動永磁電機(jī)聲振特性試驗[J]. 振動.測試與診斷, 2014, 34(1): 90-95.