內(nèi)置式永磁同步電機(jī)電磁噪聲的削弱研究

韓 懷 王 偉

（中車株洲電機(jī)有限公司 株洲 412001）

引言

近年來(lái)，永磁同步電機(jī)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)領(lǐng)域、車用牽引領(lǐng)域等得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著國(guó)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)裝備制造技術(shù)的不斷提升，電機(jī)噪聲問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注，振動(dòng)噪聲性能已經(jīng)成為評(píng)判電機(jī)品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。

電機(jī)的噪聲類別中，電磁噪聲為主要噪聲源[2]，需重點(diǎn)分析，電磁噪聲主要由徑向力波產(chǎn)生[3,4]，分析電磁力波對(duì)計(jì)算和抑制電磁噪聲至關(guān)重要。文獻(xiàn)[5]推導(dǎo)了轉(zhuǎn)子分段斜極的徑向力波表達(dá)式，研究了不同斜極分段數(shù)對(duì)電磁噪聲的影響，并驗(yàn)證了該方法的有效性。文獻(xiàn)[6]以車用永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子隔磁橋的結(jié)構(gòu)形狀，改變磁路走向來(lái)抑制電機(jī)的振動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[7]運(yùn)用多物理場(chǎng)耦合分析的方法，仿真分析了車永磁同步電機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[8]采用轉(zhuǎn)子分段斜極的方法來(lái)抑制齒諧波，削弱0階電磁力，降低了電機(jī)的電磁噪聲。文獻(xiàn)[9]對(duì)電磁力進(jìn)行了理論推導(dǎo)分析，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了0階電磁力是電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的主要力波。

本文對(duì)某用途內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的電磁噪聲展開(kāi)了研究，采用在電機(jī)轉(zhuǎn)子表面開(kāi)輔助槽的方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，基于有限元法，通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)比，結(jié)果表明優(yōu)化效果明顯，有效地削弱了電機(jī)的電磁噪聲。

1 電磁分析

1.1 電機(jī)模型與設(shè)計(jì)參數(shù)

本文研究的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。表1給出了電機(jī)的部分主要參數(shù)。

表1 電機(jī)參數(shù)

圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

1.2 徑向電磁力分析

由麥克斯韋張量法計(jì)算定子鐵心上所受的徑向電磁力密度，近似表達(dá)式為：

式中：

Br—徑向氣隙磁密；

μ0—真空磁導(dǎo)率，且為4π×10-7H/m。

電機(jī)的氣隙磁密主要由電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)在氣隙中產(chǎn)生的磁密Bsδ與轉(zhuǎn)子永磁磁動(dòng)勢(shì)在氣隙中產(chǎn)生的磁密Brδ兩部分組成。因此式（1）可表示為[10]：

式中：

Frδ—永磁磁場(chǎng)氣隙磁動(dòng)勢(shì)；

Fsδ—電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)；

Λ—等效氣隙磁導(dǎo)；

p—極對(duì)數(shù)；

θ—轉(zhuǎn)子機(jī)械角度；

ω—角頻率；

Fmφ—定子電流產(chǎn)生的諧波磁動(dòng)勢(shì)幅值；

μ—轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波次數(shù)，且有μ=2r+1，r=0,1,2,3··；

ν—電樞反應(yīng)磁場(chǎng)諧波次數(shù)，且有ν=6 k1+1，k1=0,±1,±2···；

νs—定子繞組通入三相對(duì)稱電流諧波次數(shù)，大且有νs=6 ks+1，ks=0,±1,±2···；

φ—磁動(dòng)勢(shì)相角。

將式（2）～（4）代入到式（1）可得到其展開(kāi)表達(dá)式，且有階次分別為(μ±ν)p 、(μ±ν) p±Z 和(μ±ν) p±2Z ，頻率為(μ±1) f1，其中Z為定子槽數(shù)，f1為電機(jī)基波電頻率。

一般隨著力波階數(shù)的增大，對(duì)應(yīng)階數(shù)的固有頻率也會(huì)增大，而振幅卻以更快的速度減小，所以只有低空間階次的力波才會(huì)引起振動(dòng)。本文所分析的電機(jī)主要空間階次電磁力波表如表2所示。圖2給出了額定工況時(shí)電機(jī)的電磁力密度時(shí)空二維傅里葉分解圖。由表2和圖2的分析結(jié)果可知，額定工況時(shí)電磁力的主要空間階次是0階和8階，其中，空間階次為0的電磁力對(duì)振動(dòng)噪聲影響最大，尤其是定子一階齒諧波與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波相互作用產(chǎn)生的階次，需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖2 額定工況電磁力密度時(shí)空分解

表2 電磁力主要空間階次

2 電磁噪聲優(yōu)化

為降低電機(jī)的振動(dòng)噪聲，本文采用在轉(zhuǎn)子表面開(kāi)圓弧形輔助槽的方法，增大氣隙磁阻，減小電機(jī)的等效氣隙磁導(dǎo)，同時(shí)也改變氣隙磁密的諧波成分，最終降低電機(jī)電磁力密度幅值。具體方案如圖3所示。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)子優(yōu)化方案示意圖

在轉(zhuǎn)子外圓開(kāi)兩個(gè)對(duì)稱的圓弧形輔助槽，通過(guò)對(duì)比輔助槽不同位置以及槽面積的大小，當(dāng)兩輔助槽的圓弧中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的圓心角在20 °時(shí)所關(guān)注的特定階次電磁力密度下降較為明顯。

2.1 電機(jī)氣隙磁場(chǎng)及電磁力仿真分析

基于Maxwell有限元軟件對(duì)電機(jī)優(yōu)化前后額定轉(zhuǎn)速時(shí)的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行分析，氣隙磁密波形及諧波分析如圖4所示。

圖4 氣隙磁密波形及各次諧波對(duì)比

由圖4可知，開(kāi)輔助槽后主要降低了氣隙磁密的5次、7次、11次和13次諧波含量，而基波幾乎保持不變。

基于電機(jī)外特性曲線上的工作點(diǎn)，在Maxwell中計(jì)算電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的電磁力。圖5為仿真后處理得到的優(yōu)化前后空間0階不同時(shí)間階次電磁力密度值隨轉(zhuǎn)速變化的對(duì)比圖，由于48階和24階時(shí)間階次電磁力密度值較大，為重點(diǎn)關(guān)注階次，其他階次電磁力密度數(shù)值較小，并未一一列出。

0階空間階次，48階頻率階次的電磁力密度是由定子11次、13次諧波與轉(zhuǎn)子11次、13次諧波相互作用產(chǎn)生的，其中定子11次和13次諧波是一階齒諧波。由圖5可以看出，優(yōu)化后48階電磁力密度在全轉(zhuǎn)速范圍前半段約下降了70 %，在全轉(zhuǎn)速范圍后半段電磁力密度下降的同時(shí)，也改變了其隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)。優(yōu)化后24階電磁力密度有所增加，但在全轉(zhuǎn)速工況內(nèi)對(duì)電磁噪聲的主要影響階次仍然是48階。

圖5 空間0階電磁力密度隨轉(zhuǎn)速變化

2.2 振動(dòng)噪聲分析

基于workbench平臺(tái)，建立電機(jī)定子的三維模型，進(jìn)行振動(dòng)噪聲仿真分析。在仿真計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，用后處理軟件程序進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，提取得到不同階次等效輻射聲功率級(jí)，并轉(zhuǎn)換為A計(jì)權(quán)等效輻射聲功率級(jí)。圖6和圖7分別為優(yōu)化前后特定階次等效聲功率級(jí)對(duì)比和總等效聲功率級(jí)對(duì)比。

圖6 優(yōu)化前后48階和24階等效聲功率級(jí)對(duì)比

圖7 優(yōu)化前后總等效聲功率級(jí)對(duì)比

由圖可知，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，優(yōu)化后主要降低了48階噪聲，從總等效聲功率級(jí)對(duì)比圖可知，優(yōu)化前后峰值噪聲值由95.74 dB降低到89.86 dB，共降低了約6 dB，優(yōu)化效果較為明顯。

3 結(jié)論

本文以48槽8極內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，給出了其電磁力波解析表達(dá)式，分析了可能造成電機(jī)電磁噪聲的電磁力密度的主要影響階次，采用轉(zhuǎn)子開(kāi)輔助槽的方法來(lái)削弱電磁噪聲，基于Workbench平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)噪聲有限元仿真分析，結(jié)果表明：優(yōu)化后降低了氣隙磁場(chǎng)諧波，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，優(yōu)化后主要削弱了0階空間階次，頻率48階電磁力密度，峰值電磁噪聲值由95.74 dB降低到89.86 dB，共降低了約6 dB，該方法可以有效地削弱電機(jī)的電磁噪聲。