王德猛,尹紅彬,張 軍,于新龍,張學(xué)義

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院,淄博 255049; 2.山東唐駿歐鈴汽車制造有限公司,淄博 255049)

0 引 言

作為燃料電池空壓機(jī)內(nèi)的核心部件,高速電機(jī)受到廣泛的關(guān)注。空壓機(jī)用電機(jī)主要有兩種類型,一種是電勵(lì)磁電機(jī),另一種是永磁電機(jī)。較傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)而言,永磁電機(jī)內(nèi)部器件數(shù)量減少,從而增加了內(nèi)部的空間利用率,且其無(wú)勵(lì)磁電阻損耗,效率更高,運(yùn)行更加穩(wěn)定[1]。隨著新材料的開發(fā)與應(yīng)用,與新材料緊密相關(guān)的永磁電機(jī)也廣泛應(yīng)用到新興領(lǐng)域中,得到了進(jìn)一步的發(fā)展。在保證其高功率密度和寬調(diào)速范圍的同時(shí),要降低電機(jī)的振動(dòng)噪聲,燃料電池空壓機(jī)用永磁電機(jī)的振動(dòng)噪聲優(yōu)化問題成為了近年來(lái)工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

電機(jī)振動(dòng)有多種類別,如電磁振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、空氣動(dòng)力學(xué)振動(dòng)等[2],其中,電磁振動(dòng)所占比例較大[3]。電磁噪聲由電源控制單元的PWM諧波引起,或者是由電機(jī)的過度電磁諧波引起[4]?？諝庠肼暿怯娠L(fēng)扇、轉(zhuǎn)子和氣流效應(yīng)產(chǎn)生的,氣流效應(yīng)是由沿風(fēng)向移動(dòng)時(shí)的氣流產(chǎn)生的。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),空氣噪聲起主導(dǎo)作用[5]。機(jī)械噪聲主要是由移動(dòng)的轉(zhuǎn)子、軸承、電機(jī)的電刷、滑環(huán)或換向器摩擦引起的。實(shí)驗(yàn)表明,電機(jī)噪聲中,氣動(dòng)噪聲占57.5%,轉(zhuǎn)子和軸承引起的機(jī)械噪聲占27.7%,電磁噪聲占14.8%[6]。研究發(fā)現(xiàn),電磁噪聲的強(qiáng)度主要由負(fù)載決定,而機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲則取決于電機(jī)的速度[7]。

近年來(lái),許多研究學(xué)者對(duì)永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSM)、開關(guān)磁阻電機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、混合勵(lì)磁電機(jī)的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行了研究。振動(dòng)和噪聲的研究涉及電磁、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、聲場(chǎng)等多個(gè)方面。通過電磁力和模態(tài)分析,闡述了PMSM中振動(dòng)和噪聲的運(yùn)行機(jī)理[8]。

文獻(xiàn)[9]運(yùn)用有限元仿真,對(duì)于電機(jī)的0階主要電磁激振力波,通過結(jié)構(gòu)參數(shù)分析了對(duì)電機(jī)空載氣隙磁場(chǎng)的影響,且采用了調(diào)整定子槽口寬度和偏心氣隙的兩種方法,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)振動(dòng)噪聲的抑制。文獻(xiàn)[10]構(gòu)建有限元模型,運(yùn)用Workbench分析電機(jī)外殼的振型和固有頻率,建立三種不同參數(shù)和因素的模型,綜合考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[11]對(duì)原始瞬態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,對(duì)電機(jī)磁密進(jìn)行諧波分析,結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化算法,建立聲場(chǎng)模型對(duì)噪聲瀑布圖進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)[12]應(yīng)用麥克斯韋張量和磁勢(shì)乘磁導(dǎo)法,通過注入電流諧波,構(gòu)建了描述0階徑向電磁力波的解析表達(dá)式,進(jìn)一步深入探究了該現(xiàn)象的機(jī)理。

本文以一臺(tái)功率為20 kW的車用燃料空壓機(jī)用永磁電機(jī)為研究對(duì)象,首先分析這臺(tái)電機(jī)的結(jié)構(gòu),并根據(jù)它的主要參數(shù)建立一個(gè)二維模型,接著對(duì)電磁特性進(jìn)行分析,并提出優(yōu)化方案,最后,對(duì)這臺(tái)電機(jī)的性能進(jìn)行評(píng)估。

1 PMSM結(jié)構(gòu)

燃料電池空壓機(jī)用PMSM二維截面示意圖如圖1所示。該電機(jī)為一臺(tái)24槽4極整數(shù)槽單層短距分布繞組PMSM,其主要參數(shù)如表1所示。

表1 PMSM主要參數(shù)

圖1 PMSM二維模型

在對(duì)電機(jī)進(jìn)行負(fù)載工況的磁場(chǎng)分析時(shí),把轉(zhuǎn)速設(shè)置為額定轉(zhuǎn)速58 000 r/min。對(duì)電機(jī)的三相定子繞組添加激勵(lì)源,且電機(jī)三相繞組為Y型連接。設(shè)定電機(jī)相關(guān)部件的材料屬性,增加瞬態(tài)場(chǎng)求解器進(jìn)行計(jì)算,能夠看到負(fù)載工況下的性能狀況,進(jìn)而判斷出電機(jī)設(shè)計(jì)是否合理。

2 PMSM電磁特性分析

2.1 電機(jī)磁場(chǎng)分析

搭建電機(jī)二維有限元解析模型,模擬電機(jī)額定工況下的運(yùn)行過程。采用對(duì)稱三相電壓源來(lái)模擬電機(jī)的起動(dòng)響應(yīng)。圖2(a)顯示了電機(jī)的磁密分布云圖,定子齒部的磁密為1.49 T,定子軛部的磁密為1.37 T。通過傳熱學(xué)分析,我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)電機(jī)處于額定工況時(shí),它能夠滿足散熱需求。圖2(b)為某時(shí)刻下的電機(jī)磁力線分布圖,電機(jī)磁力線分布均勻。

2.2 電機(jī)徑向電磁力分析

電機(jī)定子齒部承受徑向電磁力的影響,這種影響可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生電磁振動(dòng)噪聲[13]。在深入探討這種影響前,需要通過麥克斯韋張量法來(lái)精確計(jì)算徑向電磁力,并將其轉(zhuǎn)化成可以被實(shí)際應(yīng)用的數(shù)值。我們確定定子鐵心結(jié)構(gòu)承受的徑向電磁力的密度,并將其表示[14]:

(1)

式中:fr為電磁力徑向分量;Br為氣隙磁密徑向分量;Bt為氣隙磁密切向分量;μ0為真空磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7H/m。

在磁導(dǎo)率上,空氣遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鐵磁材料。當(dāng)磁場(chǎng)穿過定轉(zhuǎn)子鐵心時(shí),磁場(chǎng)會(huì)與其表面呈現(xiàn)出一種垂直的關(guān)系。在這種情況下,徑向氣隙磁密度遠(yuǎn)大于切向氣隙磁密度,因此可以忽略切向磁密度。在結(jié)構(gòu)上,定子鐵心徑向電磁力近似:

(2)

在電機(jī)定轉(zhuǎn)子間組成的氣隙處,磁通密度主要包括兩種:一種是永磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁密BRδ,另一種是電樞反應(yīng)產(chǎn)生的定子磁密BSδ,因此式(2)可表示[14]:

(3)

BRδ=FRλδ

(4)

BSδ=FSλδ

(5)

式中:FR為永磁體磁場(chǎng)產(chǎn)生的氣隙磁動(dòng)勢(shì);FS為定子電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì);λδ為等效氣隙磁導(dǎo)。

FR和FS可按下式計(jì)算[15]:

(6)

(7)

把式(4)～式(7)代入式(2)中,得出定子齒部受到的徑向電磁力計(jì)算表達(dá)式。用該表達(dá)式計(jì)算求解徑向電磁力波的空間階數(shù),分別是(νR±νS)p、(νR±νS)p±Z、(νR±νS)p±2Z、頻率為(νR±1)f1,其中f1為電機(jī)基波電頻率[16]。

相對(duì)于階次較高的徑向電磁力所引起的較小噪聲,階次較低的電磁力所引起的噪聲較大。本文根據(jù)此規(guī)律,將24槽4極電機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)代入到式(2)中,得出空間階次和頻率倍數(shù),如表2所示。

表2 PMSM徑向電磁力的空間階次與頻率倍數(shù)

PMSM的電磁振動(dòng)噪聲往往與其電磁場(chǎng)有關(guān),其中重要的就是徑向電磁力。通過調(diào)整電機(jī)的磁場(chǎng)分配和電機(jī)的電磁磁路優(yōu)化來(lái)減小振動(dòng)噪聲,就能夠有效地抑制電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

3 電機(jī)降振優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

減小作用在電機(jī)定子齒部的徑向電磁力,能夠降低電機(jī)振動(dòng)幅值。根據(jù)電機(jī)振動(dòng)噪聲出現(xiàn)的原理,給出基于隔磁磁橋間距d改善修型設(shè)計(jì)方法,將電機(jī)原模型中的隔磁磁橋間距增加,在優(yōu)化過程中同時(shí)改變隔磁磁橋長(zhǎng)度。

圖3為在不同隔磁磁橋間距下所得到的電機(jī)徑向氣隙磁密幅值。由圖3可知,隔磁磁橋間距d逐漸增大,徑向氣隙磁密幅值隨之降低。其原因是偏移距離增加后的隔磁磁橋,磁路有效長(zhǎng)度變長(zhǎng),磁阻提升,等效氣隙磁導(dǎo)λδ變小,進(jìn)而使得徑向氣隙磁密減小。

圖3 隔磁磁橋間距與徑向氣隙磁密幅值關(guān)系

在優(yōu)化轉(zhuǎn)子隔磁磁橋的同時(shí),還需要考慮電機(jī)的電磁性能。圖4為隔磁磁橋間距d值與漏磁系數(shù)δ的關(guān)系圖?？梢钥闯?當(dāng)偏移距離在4.6 mm之前時(shí),電機(jī)漏磁系數(shù)上升程度較小,在4.6 mm之后,漏磁系數(shù)出現(xiàn)明顯上升。通過觀察對(duì)比,最終確定4.6 mm為隔磁磁橋間距設(shè)計(jì)值,并以圖5的形式展示了經(jīng)過優(yōu)化的電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

圖4 隔磁磁橋間距與漏磁系數(shù)關(guān)系

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)子優(yōu)化方案

圖6 電機(jī)優(yōu)化前后徑向電磁力波形

4 優(yōu)化后電機(jī)性能計(jì)算

4.1 電機(jī)電磁計(jì)算分析

針對(duì)優(yōu)化前后的電機(jī)方案分別進(jìn)行電磁有限元仿真求解。取氣隙中間一處作為磁場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn),求解電機(jī)負(fù)載工況下的徑向電磁力,得到的仿真結(jié)果如圖 6所示。由波形圖優(yōu)化前后對(duì)比發(fā)現(xiàn),徑向電磁力密度的幅值有所下降。

圖7與圖8給出了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與齒槽轉(zhuǎn)矩的波形。由圖7、圖8可知,優(yōu)化后的輸出轉(zhuǎn)矩略有下降,但仍可滿足電機(jī)輸出性能要求。同時(shí),優(yōu)化后的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與齒槽轉(zhuǎn)矩性能有所改善。

圖7 電機(jī)優(yōu)化前后的輸出轉(zhuǎn)矩波形

圖8 電機(jī)優(yōu)化前后的齒槽轉(zhuǎn)矩波形

4.2 電機(jī)模態(tài)分析

在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),作用于定子齒部的外施電磁力頻率與固有頻率接近或相等時(shí),將發(fā)生共振[17]。若共振時(shí)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),就可能造成嚴(yán)重的損失,影響電機(jī)的正常使用和壽命。特別是對(duì)于電動(dòng)汽車,出現(xiàn)這種情況,就可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題。采用模態(tài)分析,可以更加精確地測(cè)量出電機(jī)的固有頻率,從而防止出現(xiàn)共振的問題。目前,解析法和有限元法是模態(tài)分析的兩種主要手段,有限元法現(xiàn)已逐漸替代計(jì)算復(fù)雜性和不準(zhǔn)確性的解析法[18]。本文對(duì)電機(jī)的定子模態(tài)進(jìn)行求解采用的是有限元分析方法,通過計(jì)算得到的電機(jī)定子各階模態(tài)振型及固有頻率如圖9所示。

圖9 電機(jī)定子模態(tài)振型圖

由前面的分析可知,定子齒部所受徑向電磁力主要是偶數(shù)倍基頻分量。通過模態(tài)分析求解得出定子模型固有頻率。對(duì)比發(fā)現(xiàn),計(jì)算出的徑向電磁力主要諧波頻率值與定子固有頻率值有較大的差距,這表明該電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)共振問題,而且設(shè)計(jì)也較為合理。

4.3 電機(jī)振動(dòng)分析

通過構(gòu)建電機(jī)有限元振動(dòng)諧響應(yīng)三維模型,先將有限元瞬態(tài)場(chǎng)中的徑向電磁力求解完成后,再傳遞到結(jié)構(gòu)場(chǎng),在定子齒部加入振動(dòng)激勵(lì)源,最后將電磁場(chǎng)與結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合仿真。通過對(duì)法蘭盤的螺栓孔進(jìn)行約束,計(jì)算出當(dāng)額定轉(zhuǎn)速58 000 r/min時(shí),電機(jī)殼體外表面上的某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度幅頻特性曲線,如圖10所示。

由圖10可知,觀測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度在偶數(shù)倍基頻等處幅值較為明顯。由表2可知,同這些頻率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的徑向電磁力分量幅值都較高,使得振動(dòng)速度幅值隨之變大。振動(dòng)速度幅值經(jīng)優(yōu)化后整體下降,偶數(shù)倍基頻時(shí)下降更為明顯。

通過應(yīng)用隔磁磁橋修形方法,我們可以對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,從而顯著降低其徑向氣隙磁密度,還能保證電機(jī)的電磁性能,表明了該優(yōu)化方法的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文旨在探討一種新型的降振優(yōu)化方法,采用了一種基于隔磁磁橋修形的技術(shù),可以有效改善功率20 kW燃料電池空壓機(jī)用內(nèi)置徑向式PMSM的結(jié)構(gòu)參數(shù),從而減少?gòu)较螂姶帕?同時(shí)能夠有效地降低齒槽轉(zhuǎn)矩,并且保證其輸出性能的合理性,從而達(dá)到良好的降振效果,為車用PMSM的優(yōu)化設(shè)計(jì)、振動(dòng)噪聲的降低提供了工程參考。