李有通 羅 欽 李沁逸 劉嘉林

（廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣安638000）

隨著能源問題和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，新能源汽車越發(fā)受到各國的高度關(guān)注，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車核心部件，其性能優(yōu)劣直接影響電動(dòng)汽車的品質(zhì)。永磁同步電機(jī)憑借其具有優(yōu)越的調(diào)速性能、高效率、恒轉(zhuǎn)矩區(qū)長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車行業(yè)被選用得最多[1]。目前消費(fèi)者對(duì)汽車的舒適性要求越來越高，而電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)的主要噪音來自于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，嚴(yán)重影響了行駛過程中的乘坐舒適性。

本文以某電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，從解決實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中遇到的問題為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)該電機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真研究與優(yōu)化改進(jìn)。首先對(duì)永磁同步電機(jī)初始電磁方案進(jìn)行電磁結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲仿真分析，并著重對(duì)電機(jī)徑向磁密與徑向電磁力展開分析。然后針對(duì)初始方案仿真分析結(jié)果對(duì)電機(jī)電磁方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。最后對(duì)比初始方案與優(yōu)化改進(jìn)方案的仿真結(jié)果，證實(shí)了優(yōu)化方案的有效性。

1 電磁激勵(lì)分析

對(duì)于電動(dòng)汽車電機(jī)而言，電機(jī)的電磁振動(dòng)是導(dǎo)致電磁噪聲進(jìn)而引發(fā)電機(jī)噪聲的根本原因。永磁同步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之間有較強(qiáng)的電磁吸引力，其振動(dòng)主要是由電磁吸引力的徑向分量引起的，徑向分量會(huì)導(dǎo)致定子變形，所以當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致定子的機(jī)械振動(dòng)[2]。因此，在對(duì)永磁同步電機(jī)電磁振動(dòng)振動(dòng)噪聲進(jìn)行分析前，應(yīng)該先對(duì)電磁吸引力進(jìn)行研究。

永磁同步電機(jī)的電磁吸引力切向分量產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，對(duì)電機(jī)振動(dòng)的影響較小，故只考慮徑向分量對(duì)電機(jī)振動(dòng)的影響，根據(jù)麥克斯韋應(yīng)力張量法，對(duì)作用在電機(jī)定子齒面單位面積上的徑向電磁力的瞬時(shí)值為[3]：

其中，fn（θ，t）為單位面積瞬時(shí)電磁力；b（θ，t）為電機(jī)氣隙磁密，t 為時(shí)間，θ 為空間角度；μ0為真空磁導(dǎo)率。

從上式可看出分析電磁力關(guān)鍵在于對(duì)其時(shí)空二維進(jìn)行諧波分析，電機(jī)電磁力諧波主要由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)自身、定子繞組電樞反應(yīng)、以及定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波相互作用產(chǎn)生。對(duì)于整數(shù)槽永磁同步電機(jī)，其電磁噪聲主要由電機(jī)定轉(zhuǎn)子高次諧波磁場(chǎng)相互耦合作用所致[4]。

其中，γ 為定子磁場(chǎng)諧波次數(shù)，μ 為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波次數(shù)，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

因此，電機(jī)定轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的徑向電磁力波次數(shù)為：

式中r 電機(jī)徑向電磁力波次數(shù)。整數(shù)槽永磁同步電機(jī)中每塊永磁體所對(duì)應(yīng)的定子齒數(shù)全部相同，電磁力波次數(shù)只能為0 次或電機(jī)極對(duì)數(shù)的整數(shù)倍[5]。本文所采用研究的永磁同步電機(jī)為48 槽8 極，是整數(shù)槽，所以該電機(jī)的徑向電磁吸引力波的空間階次為0、8 次等。

2 有限元仿真分析

2.1 電機(jī)電磁仿真模型

永磁同步電機(jī)電磁仿真模型如圖1 所示。其主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)

圖1 電機(jī)電磁仿真模型

2.2 徑向電磁力仿真分析

選定某一分析工況，設(shè)置好時(shí)間步長(zhǎng)、計(jì)算時(shí)間、轉(zhuǎn)速等參數(shù)后，在電磁仿真軟件中進(jìn)行電機(jī)電磁仿真分析。得到該工況下電機(jī)氣隙空間中某點(diǎn)徑向電磁力波隨時(shí)間的變化如圖2 所示。

圖2 空間某點(diǎn)電磁力波隨時(shí)間分布

由圖2 可知，永磁同步電機(jī)電磁力波的徑向分量的空間階次等于電機(jī)定子模態(tài)階次，同時(shí)與定子相對(duì)應(yīng)階次的模態(tài)頻率相近時(shí)，此時(shí)電機(jī)產(chǎn)生共振。對(duì)上文中空間某點(diǎn)隨時(shí)間分布的電磁力波利用二維傅里葉變換進(jìn)行時(shí)空分解，得到該徑向電磁力波的諧波隨頻率分布，如圖3 所示。

圖3 空間某點(diǎn)電磁力波隨頻率分布

從上圖可看出該工況下電機(jī)的徑向電磁力波諧波幅值最大處對(duì)應(yīng)頻率為該工況下激勵(lì)電流頻率的兩倍。在該工況下，電機(jī)電磁力諧波徑向分量上的頻率為電機(jī)轉(zhuǎn)頻的0、8、16 倍等，是電機(jī)轉(zhuǎn)頻極數(shù)的整數(shù)倍。電機(jī)電磁力徑向分量上的空間階次越低，電機(jī)在徑向上的變形就越大。電機(jī)電磁力的徑向分量作用在定子上所產(chǎn)生的振動(dòng)量與空間階次的四次方成反比[3]。所以，只研究空間低階電磁力波在徑向分量上對(duì)振動(dòng)噪聲的影響。

2.3 電磁結(jié)構(gòu)振動(dòng)耦合仿真分析

在電磁結(jié)構(gòu)耦合仿真軟件中建立電機(jī)定子組件有限元模型，采用模態(tài)疊加法耦合電機(jī)電磁仿真所得徑向電磁力與電機(jī)定子組件結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算電機(jī)定子組件外表面的振動(dòng)響應(yīng)。定子組件的材料參數(shù)如表2 所示。

表2 定子組件材料參數(shù)

仿真計(jì)算所得電機(jī)定子組件的零階模態(tài)頻率為5235Hz，對(duì)電機(jī)定子組件在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上耦合徑向電磁力波結(jié)果做諧響應(yīng)分析，得到該工況下電機(jī)定子組件表面的等效聲功率如圖4所示。

圖4 等效聲功率

從圖4 中可看出該工況下電機(jī)定子組件表面的等效聲功率值整體偏大，最大值48 階對(duì)應(yīng)點(diǎn)達(dá)到了90.14dB，8 階及其倍頻16、24 階等階次對(duì)應(yīng)點(diǎn)的幅值也較大，顯然無法滿足實(shí)際工程項(xiàng)目需求。

3 優(yōu)化改進(jìn)分析

針對(duì)上文所得電機(jī)定子組件表面電磁振動(dòng)等效聲功率幅值偏大的問題，從減小其徑向電磁力波幅值的角度，減小電磁振動(dòng)噪聲響應(yīng)激勵(lì)以減小振動(dòng)噪聲。原電機(jī)電磁方案仿真得到該工況下某一時(shí)刻電機(jī)磁力線分布如圖5 所示。

圖5 原方案某時(shí)刻磁力線分布圖

可看出該電機(jī)磁路設(shè)計(jì)還有很大的優(yōu)化空間，可以在電機(jī)轉(zhuǎn)子某些磁力線突變的位置上開孔，以隔斷磁力線，優(yōu)化磁路，減小磁場(chǎng)突變，使電機(jī)定子電樞諧波磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互抑制，減小磁場(chǎng)脈動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)減小電機(jī)電磁徑向力波，降低電機(jī)徑向電磁結(jié)構(gòu)振動(dòng)。針對(duì)原方案電機(jī)轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子永磁體靠近電機(jī)氣隙角處開隔磁孔優(yōu)化電機(jī)磁路，具體優(yōu)化方案如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化方案模型

運(yùn)用新的電機(jī)轉(zhuǎn)子拓?fù)鋬?yōu)化方案進(jìn)行電磁結(jié)構(gòu)振動(dòng)耦合仿真分析，可得新方案的電機(jī)定子組件表面的等效聲功率與原方案等效聲功率值對(duì)比如圖7 所示。

可看出新方案電機(jī)組件表面等效聲功率值整體較原方案降低明顯。該工況下電機(jī)8、48 階噪聲對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)266Hz、1600Hz處等效聲功率值降低了10dB 左右，效果明顯。從結(jié)果可以看出，在電機(jī)轉(zhuǎn)子上某些關(guān)鍵位置開隔磁孔可以有效抑制電機(jī)某些特定階次對(duì)應(yīng)的諧波含量，能夠降低電機(jī)相關(guān)階次的電磁振動(dòng)噪聲值。

4 結(jié)論

本文著重分析了永磁同步電機(jī)電磁激勵(lì)原理，建立了某永磁同步電機(jī)的二維電磁仿真模型，進(jìn)行仿真分析得到電機(jī)徑向電磁力波結(jié)果，并對(duì)徑向電磁力波結(jié)果做二維傅里葉變換分解分析。然后結(jié)合電機(jī)電磁仿真結(jié)果與定子組件結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行電磁結(jié)構(gòu)振動(dòng)耦合仿真，得到定子組件表面振動(dòng)響應(yīng)。最后針對(duì)原方案電磁仿真模型定子結(jié)構(gòu)做拓?fù)鋬?yōu)化，并進(jìn)行電磁結(jié)構(gòu)振動(dòng)耦合仿真，得到響應(yīng)值，與原方案響應(yīng)值進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，在永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子某些關(guān)鍵位置開隔磁孔可以有效地降低電機(jī)特定階次的電磁振動(dòng)噪聲值。