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        基于齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化的冷卻風(fēng)扇異響消除

        2021-03-29 09:39:54李允湯樂(lè)超陳兵楊鵬
        汽車(chē)實(shí)用技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:齒槽電樞異響

        李允,湯樂(lè)超,陳兵,楊鵬

        (1.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司研發(fā)總院,吉林 長(zhǎng)春 130013;2.汽車(chē)振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130011)

        前言

        永磁電機(jī)具有效率高、比功率較大、功率因數(shù)高、可靠性高和便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn),在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用更加深入。然而永磁體和電樞齒相互作用,不可避免地產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng),引起振動(dòng)和噪聲,影響系統(tǒng)地控制精度,齒槽轉(zhuǎn)矩是高性能永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和制造中必須考慮和解決的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。

        永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱方法主要有極磁偏移法、極弧系數(shù)法、斜槽或斜極法、開(kāi)輔助槽法等多種方法。劉婷等[2]提出磁極偏移角度計(jì)算方法,對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩有顯著削弱效果。文獻(xiàn)[3]提出一種基于能量法的極弧系數(shù)選擇方法,采用有限元方法驗(yàn)證解析法的有效性。安忠良等[4]采用解析法和有限元法相結(jié)合的方式研究了隔磁橋形狀的改變對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。文獻(xiàn)[5-7]介紹了不同輔助槽形狀、尺寸、數(shù)量對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。

        本文采用有限元法,通過(guò)優(yōu)化電樞齒頂輔助槽形狀、尺寸、數(shù)量,減小永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩,解決了冷卻風(fēng)扇加速和減速異響問(wèn)題。本方法僅調(diào)整電樞齒頂部結(jié)構(gòu),改動(dòng)量小,周期短,不增加成本,為永磁電機(jī)異響問(wèn)題解決提供參考。

        1 齒槽轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)表達(dá)式

        齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)固有特性,由永磁體和電樞齒之間相互作用力的切向分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,用電機(jī)不通電時(shí)的磁共能對(duì)于位置角的負(fù)倒數(shù)表示。

        當(dāng)不考慮斜槽時(shí),齒槽轉(zhuǎn)矩T為:

        式中,P為極對(duì)數(shù),Z為電機(jī)定子槽數(shù),Lα為電驅(qū)鐵芯軸向長(zhǎng)度,μ0為真空磁導(dǎo)率,R2為定子軛內(nèi)半徑,R1為電驅(qū)外半徑,n為使nZ/2p為整數(shù)的整數(shù),Br為永磁體剩磁。

        由式(1)可知,只有Br的nZ/2p次諧波分量才對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生作用,其他諧波分量對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩沒(méi)有影響。

        2 冷卻風(fēng)扇異響優(yōu)化

        2.1 問(wèn)題分析

        在某車(chē)型冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,冷卻風(fēng)扇起動(dòng)或停止過(guò)程中出現(xiàn)多次異響,臺(tái)架噪聲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。在轉(zhuǎn)速為400 r/min、700 r/min、850 r/min時(shí),20階和40階噪聲突出,總噪聲存在15.2 dB(A)的峰值,聲品質(zhì)差。

        圖1 冷卻風(fēng)扇臺(tái)架噪聲

        圖2 電機(jī)殼體振動(dòng)

        從圖2可知,異常振動(dòng)出現(xiàn)在特定轉(zhuǎn)速,且出現(xiàn)在多個(gè)頻率段,排除結(jié)構(gòu)共振的可能性。冷卻風(fēng)扇扇葉為 7,電機(jī)為20槽4極,異常振動(dòng)頻率為電機(jī)齒槽整數(shù)倍,且在電機(jī)不通電減速工況時(shí)電機(jī)殼體振動(dòng)依然過(guò)大,與齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理相對(duì)應(yīng),可判定異常振動(dòng)由冷卻風(fēng)扇電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大引起。

        2.2 齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化方案

        為降低齒槽轉(zhuǎn)矩,在電樞齒頂開(kāi)設(shè)輔助槽是一種簡(jiǎn)單、有效的方法,常見(jiàn)為半圓槽、矩形槽,受齒寬限制,一般開(kāi)設(shè)1個(gè)或2個(gè)。

        開(kāi)輔助槽相當(dāng)于增加齒槽轉(zhuǎn)矩基波周期數(shù),對(duì)原有槽口的齒槽轉(zhuǎn)矩起抵償作用,從而使得總齒槽轉(zhuǎn)矩幅值降低。一個(gè)槽距的基波齒槽轉(zhuǎn)矩周期數(shù)為:

        式中,Nc為定子槽數(shù)Z和極數(shù)2p的最小公倍數(shù),Nm為兩者的最大公約數(shù)。

        輔助槽數(shù)Z應(yīng)當(dāng)避免Z+1=kNp或者Z+1=Np/k,k=1,2,3…,否則齒槽轉(zhuǎn)矩可能因開(kāi)設(shè)輔助槽而增大。

        本文分析輔助槽尺寸、數(shù)量及間距對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響,對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化。

        2.3 齒槽轉(zhuǎn)矩分析及優(yōu)化

        根據(jù)電機(jī)參數(shù)建立磁場(chǎng)分析有限元模型,電機(jī)轉(zhuǎn)子以恒定速度旋轉(zhuǎn),將電樞繞組中的電流設(shè)置為零,用以模擬繞組開(kāi)路的情況,利用瞬態(tài)磁場(chǎng)有限元模型計(jì)算的力矩即為齒槽轉(zhuǎn)矩。輔助槽布置方案如圖3所示。

        圖3 輔助槽布置示意圖

        電機(jī)優(yōu)化方案及齒槽轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果如表1所示,可知:

        (1)開(kāi)設(shè)半徑為1.0 mm半圓槽,齒槽轉(zhuǎn)矩反而增加0.6 N·mm,隨著半徑降低,齒槽轉(zhuǎn)矩隨之也降低??紤]到制造可行性,半徑0.4 mm時(shí)最大降低量0.9 N·mm;

        (2)開(kāi)設(shè)雙半圓輔助槽,間距0.5 mm時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩降低0.5 N·mm,隨著間距增大,齒槽轉(zhuǎn)矩也隨之降低,間距1.5 mm時(shí)最大降低量1.0 N·mm;

        (3)開(kāi)設(shè)寬度為1.0 mm、深度為0.5 mm、間距為3.0 mm雙矩形輔助槽,齒槽轉(zhuǎn)矩最小,與原方案相比降低 3.9 N·mm,降低量約為原方案總值的10%。

        表1 齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化方案及效果

        2.4 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

        根據(jù) 2.3分析,試制雙矩形槽方案,臺(tái)架噪聲試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,優(yōu)化后電機(jī)轉(zhuǎn)速400 r/min時(shí)總噪聲降低16.3 dB(A)、700 r/min時(shí)總噪聲降低7.7 dB(A)、850 r/min時(shí)總噪聲降低 17.3 dB(A),主觀評(píng)價(jià)無(wú)異響。其中,電機(jī)轉(zhuǎn)速400 r/min、700 r/min時(shí),40階噪聲降低最大;電機(jī)轉(zhuǎn)速850 r/min時(shí),20階噪聲對(duì)總噪聲改善貢獻(xiàn)最大。

        圖4 優(yōu)化前后冷卻風(fēng)扇臺(tái)架噪聲

        3 結(jié)論

        本文針對(duì)車(chē)用冷卻風(fēng)扇永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大導(dǎo)致的加減速異響問(wèn)題,研究了電樞齒頂部開(kāi)設(shè)輔助槽對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響,采用雙矩形輔助槽方案,解決了冷卻風(fēng)扇加減速異響問(wèn)題。研究表明:

        (1)永磁電機(jī)不通電減速,在特定轉(zhuǎn)速下存在齒槽階次及其諧階次振動(dòng)噪聲異常,為電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩過(guò)大引起,需要對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制;

        (2)開(kāi)輔助槽相當(dāng)于增加齒槽轉(zhuǎn)矩基波周期數(shù),輔助槽結(jié)構(gòu)布置合理,對(duì)原有槽口的齒槽轉(zhuǎn)矩起抵償作用,有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩;

        (3)齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)輔助槽形狀、數(shù)量、尺寸敏感,設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合工藝水平,合理選擇輔助槽槽型,嚴(yán)格控制加工偏差。

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