丁 杰, 尹 亮
(湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 常德 415000)
永磁同步電機(jī)具有功率密度大、效率高、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),在軌道車輛中得到較多應(yīng)用[1-3]。永磁同步電機(jī)工作過(guò)程中,由氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的同時(shí),也會(huì)使定子鐵心振動(dòng)而產(chǎn)生電磁噪聲,影響乘坐的舒適性。因此,永磁同步電機(jī)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題受到了很多關(guān)注。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者從理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試等方面對(duì)電機(jī)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題開(kāi)展了大量研究。Gieras等[4]對(duì)多相電機(jī)的噪聲問(wèn)題開(kāi)展了系統(tǒng)性研究。韓雪巖等[5]基于電機(jī)電磁力時(shí)空階次分析和氣隙電磁力的時(shí)空分解,提出一種計(jì)算電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲的準(zhǔn)解析方法。付敏等[6]利用有限元分析與傅里葉分解方法,分析得出電機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題主要由諧波分量引起。李曉華等[7]針對(duì)電動(dòng)汽車內(nèi)置式永磁同步電機(jī),建立控制模型、電磁模型和結(jié)構(gòu)模型,分析恒轉(zhuǎn)速調(diào)速和弱磁調(diào)速等工況下的振動(dòng)噪聲頻譜特性。王曉遠(yuǎn)等[8]針對(duì)電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)建立優(yōu)化前后的電磁場(chǎng)模型、結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)模型,分析了優(yōu)化措施對(duì)電機(jī)電磁噪聲特性的影響。Besnerais[9]對(duì)永磁同步電機(jī)空載工況的徑向和切向電磁力進(jìn)行仿真計(jì)算,發(fā)現(xiàn)電機(jī)磁極數(shù)和槽數(shù)的最小公倍數(shù)與徑向電磁力的頻率有關(guān)。王宇等[10]采用邊界元法計(jì)算車用永磁同步電機(jī)的電磁噪聲,分析了定子槽口寬度和磁體圓角半徑等因素對(duì)電磁力和電磁噪聲的影響。Lin等[11]對(duì)不同諧波條件下的永磁同步電機(jī)電磁力、電磁振動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真計(jì)算與影響因素分析。肖陽(yáng)等[12]對(duì)正弦脈寬調(diào)制變頻器的輸出諧波及電磁力波進(jìn)行推導(dǎo),并開(kāi)展電磁-結(jié)構(gòu)-噪聲仿真計(jì)算。Zhao等[13]結(jié)合有限元方法與多目標(biāo)遺傳算法,對(duì)高速永磁同步電機(jī)進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真分析,得到折衷的解決方案。相龍洋等[14]對(duì)電動(dòng)汽車的永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),獲得了電機(jī)的振動(dòng)噪聲特性。
本文以某地鐵車輛用永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象,分析電機(jī)產(chǎn)生電磁力波的理論,開(kāi)展順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)向加減速條件下的振動(dòng)噪聲測(cè)試,獲得不同工況下的電機(jī)噪聲特性,可為永磁同步電機(jī)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。
永磁同步電機(jī)由逆變器供電,不計(jì)鐵心磁阻及飽和的影響時(shí),考慮l次電流諧波的氣隙磁通密度為
b(θ,t)=Bsl+Bpm=
Bsl,Λ0l+Bsl,Λkl+Bpm,Λ0+Bpm,Λk=
(1)
式中:Bsl,Λ0l和Bsl,Λkl分別為平均磁導(dǎo)調(diào)制和開(kāi)槽磁導(dǎo)調(diào)制產(chǎn)生的定子磁場(chǎng),Bsl為兩者之和;Bpm,Λ0和Bpm,Λk分別為平均磁導(dǎo)調(diào)制和開(kāi)槽磁導(dǎo)調(diào)制產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng),Bpm為兩者之和;Bν,Λ0l和Bν,Λkl分別為平均磁導(dǎo)調(diào)制和開(kāi)槽磁導(dǎo)調(diào)制產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)氣隙磁通密度幅值;Bμ,Λ0和Bμ,Λk分別為平均磁導(dǎo)調(diào)制和開(kāi)槽磁導(dǎo)調(diào)制產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)氣隙磁通密度幅值;ν和μ分別為定子和轉(zhuǎn)子的諧波次數(shù);p為永磁同步電機(jī)極對(duì)數(shù);θ為轉(zhuǎn)子機(jī)械角度;ω為基波磁勢(shì)角頻率;z為定子槽數(shù);t為時(shí)間;φν為第ν次定子電樞諧波初相位。
根據(jù)麥克斯韋應(yīng)力張量法,忽略切向磁通密度,單位面積徑向電磁力波為
(2)
式中:μ0為真空磁導(dǎo)率。
定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向力波可分為平均磁導(dǎo)調(diào)制定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁力波、平均磁導(dǎo)調(diào)制定子磁場(chǎng)和定子開(kāi)槽磁導(dǎo)調(diào)制定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁力波、定子開(kāi)槽磁導(dǎo)調(diào)制定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁力波3個(gè)部分,相應(yīng)的徑向力波階數(shù)分別為(ν1±ν2)p、(ν1±ν2)p±kz和(ν1+ν2)p±2kz,其中,k為磁導(dǎo)諧波次數(shù)[7]。
定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的徑向力波可分為平均磁導(dǎo)調(diào)制定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁力波、平均磁導(dǎo)調(diào)制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子開(kāi)槽磁導(dǎo)調(diào)制定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁力波、開(kāi)槽調(diào)制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和平均磁導(dǎo)調(diào)制定子磁場(chǎng)相互作用、定子開(kāi)槽磁導(dǎo)調(diào)制定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁力波4個(gè)部分,相應(yīng)的徑向力波階數(shù)分別為(μ±ν)p、μp±νp±kz、μp±νp±kz和μp±νp±2kz。
某地鐵車輛用風(fēng)冷永磁同步電機(jī)的額定功率為190 kW、極對(duì)數(shù)為4、轉(zhuǎn)速范圍為0~3 200 r/min。為獲得該電機(jī)的噪聲特性,并分析噪聲與振動(dòng)的關(guān)系,利用B&K振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)在半消室中開(kāi)展噪聲與振動(dòng)測(cè)試。
噪聲測(cè)試采用五點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量,噪聲測(cè)點(diǎn)N1~N5分別位于永磁同步電機(jī)的傳動(dòng)端、左側(cè)、后端、右側(cè)和頂部中心線,距離電機(jī)包絡(luò)面1 m處。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)V1~V3分別位于永磁同步電機(jī)的后端正上部、右側(cè)中間位置和傳動(dòng)端正上部。三向加速度傳感器的軸向、垂向和橫向分別表示與電機(jī)軸平行、垂直于地面和平行于地面且垂直于電機(jī)軸。轉(zhuǎn)軸上布置有轉(zhuǎn)速傳感器。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。
圖1 振動(dòng)噪聲測(cè)點(diǎn)布置
永磁同步電機(jī)的測(cè)試分4種工況。測(cè)試工況1是順時(shí)針轉(zhuǎn)向,以每級(jí)間隔200 r/min逐級(jí)加速至3 200 r/min;測(cè)試工況2是逆時(shí)針轉(zhuǎn)向,以每級(jí)間隔200 r/min逐級(jí)加速至3 200 r/min;測(cè)試工況3是順時(shí)針轉(zhuǎn)向,連續(xù)加速至3 200 r/min后斷電;測(cè)試工況4是逆時(shí)針轉(zhuǎn)向,連續(xù)加速至3 200 r/min后斷電。
由于永磁同步電機(jī)的電磁噪聲具有離散頻譜的特點(diǎn),容易出現(xiàn)尖銳刺耳的聲音,對(duì)人體感官造成不適,因此,分析頻段取人耳聽(tīng)力頻率范圍20~20 000 Hz,對(duì)測(cè)試工況1和測(cè)試工況2各轉(zhuǎn)速下的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到如圖2所示不同轉(zhuǎn)速下的總噪聲對(duì)比??梢钥闯觯?1) 200~800 r/min的平均噪聲近似從55.7 dB(A)線性增加到72.8 dB(A),800~2 000 r/min的平均噪聲在73 dB(A)附近變化不大,2 000~3 200 r/min的平均噪聲變化趨勢(shì)呈現(xiàn)波動(dòng),在2 400 r/min和3 200 r/min時(shí)存在噪聲峰值,分別為79.1 dB(A)和81.4 dB(A);(2) 600、800、2 200 r/min時(shí),順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的平均噪聲較逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)高1.5~2.5 dB(A),其余轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)向的影響在1 dB(A)內(nèi);(3)測(cè)點(diǎn)N4和N5在800 r/min和2 400 r/min時(shí)存在峰值。
圖3為順時(shí)針轉(zhuǎn)向200 r/min、1 900 r/min和3 200 r/min轉(zhuǎn)速的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)1/3倍頻程??梢钥闯觯?00 r/min時(shí),4 000 Hz和500 Hz在全頻段中的貢獻(xiàn)最大,且測(cè)點(diǎn)N4在500 Hz的噪聲明顯高于其余測(cè)點(diǎn);1 900 r/min時(shí),1 600 Hz在全頻段中的貢獻(xiàn)最大;3 200 r/min時(shí),400 Hz和2 500 Hz在全頻段中的噪聲較大,且測(cè)點(diǎn)N4和N5在400 Hz的噪聲明顯高于其余測(cè)點(diǎn)。
圖3 不同轉(zhuǎn)速的1/3倍頻程分析
3.3.1 噪聲時(shí)域信號(hào)
圖4為測(cè)試工況3的時(shí)域信號(hào),可用于定性分析噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程。由圖4可以看出永磁同步電機(jī)加速過(guò)程中的噪聲變化大致有以下特點(diǎn):(1) 470 r/min左右,噪聲突然增加,可能存在共振現(xiàn)象;(2) 600~1 000 r/min,噪聲在增加過(guò)程中存在波動(dòng);(3) 1 000~2 000 r/min,噪聲近似維持穩(wěn)定;(4) 2 000~3 000 r/min,噪聲迅速增加后維持穩(wěn)定,但在2 400 r/min附近形成峰值;(5) 3 000~3 200 r/min,噪聲迅速增加后維持穩(wěn)定。
圖4 測(cè)試工況3的噪聲時(shí)域信號(hào)
3.3.2 總噪聲隨轉(zhuǎn)速變化
為定量分析噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系,圖5給出測(cè)試工況1各測(cè)點(diǎn)噪聲隨轉(zhuǎn)速變化的曲線,其余工況的結(jié)果未列出??梢钥闯觯?1)在470 r/min,測(cè)點(diǎn)N1、N2、N4和N5的噪聲存在峰值,N3的噪聲峰值較?。?2) 600~1 000 r/min,噪聲值在增加過(guò)程中存在較大波動(dòng),噪聲峰值所在轉(zhuǎn)速為710、790、830、940 r/min等;(3) 1 000~2 000 r/min,噪聲值維持穩(wěn)定,波動(dòng)較?。?4) 2 000~3 200 r/min,噪聲逐漸增加,在2 010 r/min和2 390 r/min附近個(gè)別測(cè)點(diǎn)噪聲存在峰值。
圖5 測(cè)試工況1的各測(cè)點(diǎn)噪聲隨轉(zhuǎn)速變化曲線
圖6為加速和減速時(shí)測(cè)點(diǎn)N1的噪聲曲線對(duì)比??梢钥闯觯簻p速過(guò)程沒(méi)有開(kāi)關(guān)頻率的作用,在3 200~1 000 r/min減速過(guò)程中的噪聲值下降較快,但在1 000 r/min以下,減速過(guò)程和加速過(guò)程變化趨勢(shì)接近,說(shuō)明開(kāi)關(guān)頻率作用主要體現(xiàn)在1 000 r/min以上。
圖6 加速和減速時(shí)測(cè)點(diǎn)N1的噪聲曲線對(duì)比
3.3.3 頻譜隨轉(zhuǎn)速變化
圖7為測(cè)點(diǎn)N5的轉(zhuǎn)速-頻率-聲壓級(jí)色譜圖。由圖7(a)所示的順時(shí)針加速的轉(zhuǎn)速-頻率色譜圖可知:永磁同步電機(jī)噪聲主要由電磁激勵(lì)造成,頻譜表現(xiàn)為以(0 Hz,0 r/min)為原點(diǎn)固定斜率的階次信號(hào)和開(kāi)關(guān)頻率(2 000 Hz)及倍頻(4 000、6 000、8 000 Hz等)為中心固定斜率的調(diào)制信號(hào)組成,對(duì)噪聲影響較大的階次信號(hào)包括56階、48階、104階和8階等。從前述永磁同步電機(jī)電磁力波理論可知,由于定子、轉(zhuǎn)子的諧波次數(shù)ν和μ均為奇數(shù),整數(shù)槽電機(jī)的槽數(shù)z是極對(duì)數(shù)p的整數(shù)倍,電磁力波的空間諧波階次可表示為極對(duì)數(shù)的偶數(shù)倍,測(cè)試所得的階次與理論分析一致。IGBT器件開(kāi)通關(guān)斷時(shí),由于正弦脈寬調(diào)制的作用,高頻的電磁力頻率主要分布在開(kāi)關(guān)頻率兩側(cè),與開(kāi)關(guān)頻率相差奇數(shù)倍的電流基頻,該特征在圖7(a)中表現(xiàn)明顯。由圖7(b)所示的順時(shí)針斷電減速的轉(zhuǎn)速-頻率色譜圖可知:頻譜僅存在與轉(zhuǎn)速?gòu)?qiáng)相關(guān)、以(0 Hz,0r/min)為中心的階次激勵(lì)作用,無(wú)開(kāi)關(guān)頻率及調(diào)制信號(hào)激勵(lì)。
圖7 測(cè)點(diǎn)N5的轉(zhuǎn)速-頻率-聲壓級(jí)色譜圖
圖8為順時(shí)針加速時(shí)測(cè)點(diǎn)N5的階次貢獻(xiàn)分析結(jié)果,其他測(cè)點(diǎn)的結(jié)果未列出。由圖8可知:(1) 1 000 r/min以下,貢獻(xiàn)最大的階次為56階和104階,其中56階激勵(lì)在470r/min時(shí)很可能引起共振導(dǎo)致噪聲突然增加;(2) 1 000 r/min以上,階次激勵(lì)和以開(kāi)關(guān)頻率為中心的調(diào)制信號(hào)共同決定噪聲大小,尤其是當(dāng)階次激勵(lì)與調(diào)制信號(hào)或開(kāi)關(guān)頻率及2倍開(kāi)關(guān)頻率附近的調(diào)制信號(hào)相交時(shí),噪聲疊加,導(dǎo)致該轉(zhuǎn)速的噪聲增加;(3)轉(zhuǎn)速增加至3 200 r/min時(shí),8階激勵(lì)可能引起結(jié)構(gòu)共振。斷電過(guò)程的階次激勵(lì)與加速過(guò)程相同,主要表現(xiàn)為48階、56階和104階等階次激勵(lì)作用,無(wú)開(kāi)關(guān)頻率作用。
圖8 測(cè)點(diǎn)N5的階次分析
圖9為470 r/min和3 200 r/min等典型轉(zhuǎn)速下測(cè)點(diǎn)N5的噪聲頻譜。進(jìn)一步證明了噪聲主要由56階、48階、104階及開(kāi)關(guān)頻率(2 000 Hz)附近的調(diào)制信號(hào)決定。當(dāng)階次激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率接近時(shí)(如470 r/min時(shí),在440 Hz對(duì)應(yīng)56階處),噪聲出現(xiàn)峰值。當(dāng)階次激勵(lì)與調(diào)制信號(hào)頻率相交時(shí)噪聲出現(xiàn)疊加,如2 390 r/min,在2 478 Hz附近。
圖9 典型轉(zhuǎn)速下測(cè)點(diǎn)N5的噪聲頻譜
圖10為典型轉(zhuǎn)速下永磁同步電機(jī)振動(dòng)有效值對(duì)比,分析頻段為0~25.6 kHz??梢钥闯觯何挥陔姍C(jī)后端蓋上部測(cè)點(diǎn)V1的振動(dòng)以垂向?yàn)橹鳎罡吡考?jí)在15 m/s2左右,且振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化不明顯;位于電機(jī)右側(cè)中間位置測(cè)點(diǎn)V2的振動(dòng)以橫向?yàn)橹鳎诘娃D(zhuǎn)速時(shí)(如200、600 r/min)振動(dòng)較高,最高為32.6 m/s2,在1 000 r/min轉(zhuǎn)速以上振動(dòng)較為平穩(wěn);位于電機(jī)前端蓋上部測(cè)點(diǎn)V3的振動(dòng)以垂向?yàn)橹?,? 800 r/min以下振動(dòng)變化不大,但在1 800 r/min以上振動(dòng)較大,最高達(dá)到37.5 m/s2。
圖10 典型轉(zhuǎn)速的振動(dòng)有效值
圖11為振動(dòng)測(cè)點(diǎn)V1~V3振動(dòng)有效值隨轉(zhuǎn)速變化曲線。可以看出:1 000 r/min以下,在260、700、910 r/min等轉(zhuǎn)速的振動(dòng)存在較大波動(dòng),測(cè)點(diǎn)V2的垂向表現(xiàn)出非常明顯的特征,這與電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型有關(guān);1 000~2 000 r/min,振動(dòng)較為平穩(wěn);2 000 r/min以上,測(cè)點(diǎn)V3的垂向振動(dòng)增加明顯。
圖11 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值隨轉(zhuǎn)速變化曲線
為闡述永磁同步電機(jī)噪聲與振動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,圖12列出加減速過(guò)程中測(cè)點(diǎn)V3的轉(zhuǎn)速-頻率-垂向振動(dòng)色譜圖,其他振動(dòng)測(cè)點(diǎn)及方向的結(jié)果未列出。振動(dòng)色譜圖和前述噪聲色譜圖一致,加速過(guò)程主要由48階、56階和104階等階次激勵(lì)以及開(kāi)關(guān)頻率附近的調(diào)制信號(hào)組成,在316、440、910 Hz附近可能存在共振現(xiàn)象,而減速過(guò)程主要由48階、56階和104階等階次組成,無(wú)開(kāi)關(guān)頻率信號(hào)。
圖12 測(cè)點(diǎn)V3的轉(zhuǎn)速-頻率-垂向振動(dòng)色譜圖
當(dāng)永磁同步電機(jī)氣隙徑向電磁力波的頻率接近電機(jī)固有頻率時(shí),會(huì)引起共振,從而產(chǎn)生較大的振動(dòng)噪聲。為此,對(duì)永磁同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)及機(jī)殼進(jìn)行模態(tài)仿真。定子結(jié)構(gòu)由各向異性的硅鋼片疊壓組成,為模擬硅鋼片的疊壓效果,將疊片平面方向視為各向同性,垂直于硅鋼片方向的彈性模量小于硅鋼片材料[15]。圖13為定子結(jié)構(gòu)及機(jī)殼處于自由狀態(tài)下的部分模態(tài)振型。在未對(duì)電機(jī)的安裝孔施加約束的情況下,得到的前6階為剛體模態(tài),頻率接近0 Hz。第7階的模態(tài)振型出現(xiàn)在綁扎線纜的連桿上,第8階的頻率461 Hz與測(cè)試的440 Hz共振點(diǎn)頻率較接近。模態(tài)仿真的頻率與振動(dòng)噪聲測(cè)試中的共振點(diǎn)頻率存在差異的原因主要是測(cè)試的電機(jī)為整體結(jié)構(gòu),端蓋和轉(zhuǎn)子會(huì)對(duì)定子及機(jī)殼產(chǎn)生影響。從電機(jī)的模態(tài)振型可以看出徑向模態(tài)是導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)噪聲的主要原因。
圖13 定子結(jié)構(gòu)及機(jī)殼的部分模態(tài)振型
由于永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,且變流器的輸出電流諧波成分豐富,永磁同步電機(jī)的噪聲振動(dòng)和其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、極槽配合、轉(zhuǎn)子-永磁體設(shè)計(jì)等具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。后續(xù)可進(jìn)行實(shí)際輸入電流波形下的電機(jī)電磁場(chǎng)仿真分析,基于電機(jī)的結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行電磁振動(dòng)仿真分析,利用聲學(xué)仿真軟件進(jìn)行電機(jī)的噪聲仿真分析,并結(jié)合電機(jī)的振動(dòng)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)開(kāi)展深入研究,從而更好地指導(dǎo)電機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。
通過(guò)對(duì)某地鐵永磁同步電機(jī)開(kāi)展振動(dòng)噪聲測(cè)試及特性分析,得到以下結(jié)論:
(1) 200~800 r/min的平均噪聲近似從55.7 dB(A)線性增加至72.8 dB(A),800~2 000 r/min的平均噪聲在73 dB(A)附近,2 000~3 200 r/min的平均噪聲變化趨勢(shì)呈現(xiàn)波動(dòng),2 400 r/min和3 200 r/min處存在的峰值噪聲分別為79.1 dB(A)和81.4 dB(A)。
(2) 電機(jī)噪聲主要由電磁振動(dòng)產(chǎn)生,加速過(guò)程的主要頻譜成分包括48階、56階和104階等階次成分和以開(kāi)關(guān)頻率(2 000 Hz)及其倍頻為中心的調(diào)制成分,減速過(guò)程無(wú)開(kāi)關(guān)頻率作用,其余階次成分一致。
(3) 電機(jī)在316、440、910 Hz等頻率處存在局部模態(tài),在電機(jī)階次激勵(lì)作用下易引發(fā)共振,導(dǎo)致噪聲在起動(dòng)過(guò)程中存在較大波動(dòng)。