电动汽车永磁同步电机电磁振动噪声特性论文_优化技术研究

陈飞 葛强 杨帅 王子牛(扬州大学)

摘要:节能减排在当今世界是一个无法回避的话题,影响着世界经济的发展。电动汽车已经成为各国解决环保和能源等问题的研究热点。随着科学技术的不断发展,电动汽车在汽车市场的份额也逐年提高,人们对其性能要求、舒适度等也提出了更高的要求。电机噪声通过空气或其他弹性介质会传播到人的耳朵,太强或长时间噪声会直接影响车内人员的心理和生理健康,长期以往也会大大缩短电机的寿命[1]。因此,无论从可靠性还是性价比的角度考虑,降噪以及减振都是十分必要的。

关键词:节能减排;电动汽车;电机噪声;振动;减振降噪

0 引言

振动和噪声是衡景一台电机性能的重要指标,直接关系到电机的质景和使用寿命。永磁电机在设计阶段,会通过选择合理的极槽配合、调整极弧系数、永磁体形状优化、斜槽和斜极等措施减小振动和噪声,但有时样机测试后发现效果并不理想[2]。此外电机在运行过程中,由于负载条件、环境条件或其他运行条件改变等原囚,也极易出现振动噪声过大的问题[3-4]。通过对振动噪声信号的分析,找出电机的故障来源,提高电机的安全性和可靠性,具有非常重要的现实意义和经济效益[2]。

永磁同步电机已经在计算机设备、机械设备、医疗设备、汽车产业和家用电器等领域取得了成功应用。随着永磁同步电机应用的广泛和深入,噪声成为了制约其发展的突出问题之一[3]。对于如何降低永磁同步电机的电磁噪声本文将从电机本体结构优化以及磁场谐波抑制的补偿控制两方面进行分析研究。

1 电机电磁振动与噪声机理

由于永磁同步电机气隙磁密的相互作用,在定子齿内径表面上产生的电磁力有径向和切向分量。永磁同步电机的电磁振动主要是由定子齿内表面上的径向电磁力所激发的,其切向分量使定子齿根部弯曲,并产生局部振动变形[1]。

气隙磁导:

(1)

式中:μ—气隙磁导谐波次数,=1,2,3......;Z—定子槽数;Ʌ0—磁导常量部分;Ʌμ—μ次谐波磁导的幅值;θμ—定子圆周角的机械角度

转子磁势:

(2)

式中:k—永磁磁动势谐波次数,k=1,2,3......;p—极对数;θ0—转子在定子圆周角坐标系中的角坐标;Ω—转子转速;Frk—转子磁动势次谐波幅值

定子磁势:

(3)

式中:Fsv—定子磁动势次谐波幅值;v—定子磁动势谐波次数;θ0—定子磁动势在圆周角坐标系中的角坐标;ω1—电流基波角频率;η—电流谐波次数

合成磁动势:

(4)

气隙磁密: (5)

根据Maxwell定律,单位面积径向电磁力:

(6)

2 永磁同步电机降噪方法的研究

2.1 电机本体结构优化

由公式(1-6)可知由定子和转子高次谐波磁场相互作用产生的力波次数小于4的一系列电磁力波是产生电磁嗓声的主要原因。尤其是齿谐波磁场的作用,使气隙谐波磁场的幅值增大,产生较大的电磁嗓声[1]。本文利用Ansys软件分别求出每台电机空载时的气隙磁场波形,然后对空载气隙磁场作傅立叶分析,分别求出8极9槽、8极36槽和8极48槽三台永磁同步电动机空载气隙磁场的各次谐波幅值[6]。

本文通过编制计算软件,采用场路相结合的方法对8极48槽、8极9槽和8极36槽三台永磁同步电动机的电磁噪声和轴承噪声进行计算分析[8]。并把计算结果与实测值相比较,其结果如表1所示。

表1 不同极槽配合电磁噪声的计算

从计算结果可知为了减小永磁同步电动机的电磁噪声应合理的选择电机的极槽配合,并且还要选择合适的极弧因数,以降低谐波磁场中各次谐波的幅值[2]。

2.2 磁场谐波补偿控制

仅从设计方而很难使励磁磁场呈正弦分布,并且会增加制造成本,因此除了从电机设计方而,还应该从控制的角度采取措施消除或减少永磁体励磁磁场的谐波分量带来的影响[7]。如图1所示的磁链补偿控制结构。

图1磁链补偿控制结构

磁链补偿控制器目标是通过控制dq轴电流使直轴磁链的谐波分量降低以达到减少涡流损耗和转矩波动[4]。本文的补偿方法是将补偿量直接加在dq轴的电压命令上。图中id*和iq*分别为dq轴的电流命令值。Cd补偿d轴磁链,目的是减小谐波分量,由公式(7)可得补偿控制量。Cq是对电磁转矩进行补偿,以减小转矩波动,由公式(8)可得补偿控制量[5]。

(7)

(8)

式中:ψd6(θm),ψq6(θm)分别表示d轴和q对应相位的磁链6次谐波幅值 Kψ,KT的选取分别与d轴和q轴电流控制环的增益有关。

图3 补偿后d轴磁链谐波分量

按照图1的控制结构在Matlab/Simulink中建立电机控制系统的仿真模型图2-3为d轴磁链及FFT分析结果。

分析和仿真表明,补偿后减少了磁链中的谐波部分,降低了定子的铁损,同时通过对电磁转矩的补偿,减小了转矩波动,从而减小了振动和噪声。

3 结 语

电机减振降噪的研究属于高端机电产品创新领域,旨在创新出低噪音、低振动、高效率电动汽车的驱动系统,隶属于应用创新和产品创新范畴[16]。本文通过不同极槽配合永磁同步电动机振动噪声分析得出选择合适的极槽配合可以在一定程度上降低电机的电磁噪声。又提出了一种对磁场的谐波抑制的补偿控制算法,通过降低谐波分量来减少定子损耗,同时对电机因磁场谐波引起的转矩波动进行补偿,间接的降低电机的电磁噪声。

参考文献:

[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1997.

[2]宋志环,韩雪岩,陈丽香,等.小同极槽配合永磁同步电动机振动噪声分析[J].微电机,2007,40(12)

论文作者:优化技术研究

论文发表刊物:《电力设备》2018年第5期

论文发表时间:2018/6/21

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