城軌車輛永磁電機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試及特性分析

丁 杰，尹 亮

(湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，常德 415000)

0 引 言

永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、損耗低和效率高等優(yōu)點(diǎn)，已在城軌車輛中得到應(yīng)用[1]。永磁電機(jī)在運(yùn)行過程中存在因定子內(nèi)表面電磁力、轉(zhuǎn)子偏心及電流諧波等因素導(dǎo)致的電磁噪聲，因葉片旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的氣動(dòng)噪聲，以及因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡、軸承等因素造成的機(jī)械噪聲[2]。噪聲會(huì)對(duì)人體的神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和聽覺系統(tǒng)等產(chǎn)生一定的影響，因此，永磁電機(jī)的噪聲問題得到了人們的高度關(guān)注。

國內(nèi)外學(xué)者從理論分析、仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面對(duì)電機(jī)噪聲開展了大量研究。Gieras J F等[3]針對(duì)多相電機(jī)的噪聲問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。李曉華等[4-5]通過分析電磁力波特征參數(shù)和諧波來源，查找出電動(dòng)汽車內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的主要振動(dòng)噪聲源，建立逆變器電流-電磁場(chǎng)-結(jié)構(gòu)場(chǎng)的聯(lián)合仿真模型，探討了不同工況電流諧波對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲特性的影響。付敏等[6]應(yīng)用有限元法和傅里葉分解，得出電機(jī)的振動(dòng)噪聲問題主要由階次力波及諧波分量引起。王曉遠(yuǎn)等[7]通過對(duì)電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)進(jìn)行的電磁場(chǎng)、模態(tài)、振動(dòng)響應(yīng)和電磁噪聲仿真分析，提出了一種降噪效果較明顯的轉(zhuǎn)子優(yōu)化結(jié)構(gòu)。Tsoumas I P等[8]指出，逆變器輸出電流受脈寬調(diào)制的影響，包含開關(guān)頻率的倍頻及其邊頻帶的諧波，由此導(dǎo)致的電機(jī)窄帶噪聲會(huì)使人感到不適。Kurihara N等[9]提出了減小諧波降低電機(jī)噪聲的方法。馮勤龍等[10]通過定子鐵心的模態(tài)分析，確定某乘用車驅(qū)動(dòng)電機(jī)徑向電磁力是產(chǎn)生低速嘯叫問題的主要原因。

本文針對(duì)某城軌車輛永磁電機(jī)開展不同工況的振動(dòng)噪聲測(cè)試及特性分析，獲得永磁電機(jī)氣動(dòng)噪聲、電磁噪聲隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律以及永磁電機(jī)噪聲與振動(dòng)的關(guān)系，為提高永磁電機(jī)的噪聲水平提供指導(dǎo)。

1 永磁電機(jī)的電磁力波理論分析

采用逆變器驅(qū)動(dòng)的永磁電機(jī)，其定子電流是包含諧波的非正弦電流，用傅里葉級(jí)數(shù)表示：

(1)

式中:n為時(shí)間諧波次數(shù)，n=2m1k±1，m1為相數(shù)，k=0,1,2,3,…；I1mn為n次諧波電流峰值；ωn為n次時(shí)間諧波電流的角頻率；φi為n次時(shí)間諧波電流的相位角。

n次時(shí)間諧波引起的定子、轉(zhuǎn)子磁通密度空間-時(shí)間變化關(guān)系：

(2)

(3)

式中:ν和μ分別為定子和轉(zhuǎn)子空間諧波次數(shù)；Bmνn和Bmμn分別為定子和轉(zhuǎn)子磁通密度諧波幅值；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；α為距離坐標(biāo)系原點(diǎn)的角度；ωn=2πnf為定子繞組時(shí)間諧波電流角頻率，f為基波頻率；ωμ,n為n次時(shí)間諧波對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)μ次空間諧波角頻率；φμ,n為n次時(shí)間諧波對(duì)應(yīng)定子、轉(zhuǎn)子空間諧波向量之間的角度差。

由麥克斯韋應(yīng)力張量，可得定子、轉(zhuǎn)子的同次諧波電磁徑向力：

(4)

(5)

式中:μ0為自由空間的磁導(dǎo)率。

定子、轉(zhuǎn)子諧波相互作用的電磁徑向力：

(ωn-ωμ,n)t-φμ,n]+cos[(ν+μ)pα?

(ωn+ωμ,n)t+φμ,n]}

(6)

逆變器的開關(guān)頻率與高次時(shí)間諧波相互作用，將產(chǎn)生較大的電磁力。轉(zhuǎn)子偏心會(huì)導(dǎo)致電機(jī)氣隙脈動(dòng)，從而引起磁通密度波動(dòng)，產(chǎn)生單側(cè)磁拉力。

2 永磁電機(jī)的測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試工況

某城軌車輛風(fēng)冷永磁電機(jī)的額定功率為190 kW、極對(duì)數(shù)為4、轉(zhuǎn)速范圍為0～3 000 r/min、額定轉(zhuǎn)速為1 900 r/min。城軌車輛上線運(yùn)行后，現(xiàn)場(chǎng)反饋永磁電機(jī)的噪聲過大，可聽到明顯的電磁嘯叫聲。為獲得永磁電機(jī)的噪聲特性，利用B&K振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)在半消室開展永磁電機(jī)的噪聲與振動(dòng)測(cè)試。

噪聲測(cè)試采用五點(diǎn)法，測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)5分別布置在永磁電機(jī)的傳動(dòng)軸端(出風(fēng)口)、右側(cè)、后端(進(jìn)風(fēng)口)、左側(cè)和頂部，距離被測(cè)表面1 m處，分析頻率取25.6 kHz。振動(dòng)測(cè)試采用7個(gè)三向加速度傳感器，分別布置在永磁電機(jī)的軸承座、傳動(dòng)軸端上部、后端上部、右側(cè)面上部、左側(cè)面上部、右側(cè)面下部和左側(cè)面下部，全程檢測(cè)各測(cè)試工況下的電機(jī)振動(dòng)狀態(tài)。其中，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的縱向、垂向和橫向分別定義為平行于電機(jī)軸、垂直于地面和垂直于電機(jī)軸且平行于地面。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)及噪聲測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)及噪聲測(cè)點(diǎn)布置

永磁電機(jī)的測(cè)試工況有4種。測(cè)試工況1：順時(shí)針轉(zhuǎn)向，每級(jí)間隔200 r/min，逐級(jí)加速至3 000 r/min；測(cè)試工況2：逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，每級(jí)間隔200 r/min，逐級(jí)加速至3 000 r/min；測(cè)試工況3：順時(shí)針轉(zhuǎn)向，連續(xù)加速至3 000 r/min后斷電減速；測(cè)試工況4：逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，連續(xù)加速至3 000 r/min后斷電減速。

3 永磁電機(jī)的噪聲特性分析

3.1 不同測(cè)試工況的噪聲值對(duì)比

為分析轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速對(duì)永磁電機(jī)噪聲值的影響，圖2為測(cè)試工況3和測(cè)試工況4的各測(cè)點(diǎn)噪聲值對(duì)比。可以看出：(1)順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)向?qū)τ来烹姍C(jī)噪聲的影響很小，這與永磁電機(jī)通風(fēng)散熱用的葉片為平直結(jié)構(gòu)有關(guān)；(2)對(duì)比連續(xù)加速與斷電減速工況下的噪聲值，2 000 r/min以上時(shí)兩者差異較小，2 000 r/min以下時(shí)兩者差異較大，1 000 r/min時(shí)兩者差值約為10 dB(A)；(3)額定轉(zhuǎn)速1 900 r/min時(shí)的噪聲值約為80.3 dB(A)，3 000 r/min時(shí)的噪聲值為91.3 dB(A)。

圖2 不同測(cè)試工況的噪聲值對(duì)比

3.2 不同轉(zhuǎn)速的噪聲值對(duì)比

圖3為順時(shí)針轉(zhuǎn)向逐級(jí)加速過程測(cè)點(diǎn)1在200 r/min、1 000 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min等不同轉(zhuǎn)速下的噪聲頻譜和1/3倍頻程對(duì)比。可以看出：(1)永磁電機(jī)通電會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲，轉(zhuǎn)速范圍0～900 r/min的電磁噪聲較小，轉(zhuǎn)速范圍900～1 200 r/min的電磁噪聲急劇增大，主要噪聲中心頻率為4 000 Hz，轉(zhuǎn)速范圍1 200～3 000 r/min的電磁噪聲先降低后穩(wěn)定，電磁噪聲頻率單一，體現(xiàn)為尖銳的叫聲，是影響人主觀感受的主要因素；(2)轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)的電磁頻譜峰值突出，1 500 r/min以上時(shí)的氣動(dòng)噪聲增加較快，2 000 r/min以上時(shí)主要為氣動(dòng)噪聲，主要噪聲中心頻率為1 250 Hz，電磁噪聲不再突出；(3)永磁電機(jī)的軸上帶有13個(gè)葉片，轉(zhuǎn)速1 000 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min的葉片通過頻率分別為217 Hz、433 Hz和650 Hz，這些特征頻率在圖3(a)的頻譜曲線中均有體現(xiàn)。

圖3 測(cè)點(diǎn)1不同轉(zhuǎn)速時(shí)的噪聲頻譜對(duì)比

圖4為順時(shí)針轉(zhuǎn)向斷電減速過程測(cè)點(diǎn)1的聲壓級(jí)時(shí)間-頻率色譜圖。隨著時(shí)間的增加，永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速在不斷降低，不同頻率點(diǎn)的聲壓級(jí)也在下降。由聲壓級(jí)時(shí)頻色譜圖可以看出，永磁電機(jī)在斷電減速過程中，不再有電磁力的作用，永磁電機(jī)的噪聲表現(xiàn)出以氣動(dòng)噪聲為主，噪聲值大小隨轉(zhuǎn)速逐漸降低，主要中心頻率為1 250 Hz。

圖4 斷電減速過程測(cè)點(diǎn)1的聲壓級(jí)時(shí)頻色譜圖

3.3 永磁電機(jī)法蘭對(duì)噪聲的影響

圖5為順時(shí)針轉(zhuǎn)向逐級(jí)加速時(shí)，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3在不同轉(zhuǎn)速下的噪聲值對(duì)比。測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3分別對(duì)應(yīng)永磁電機(jī)的出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口，由圖5可以看出，不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)風(fēng)口噪聲高于出風(fēng)口噪聲1.1～5.9 dB(A)，其中，1 400 r/min、1 600 r/min和1 800 r/min等轉(zhuǎn)速的進(jìn)出風(fēng)口噪聲差值分別為5.9 dB(A)、4.7 dB(A)和3.6 dB(A)。進(jìn)出風(fēng)口噪聲差值較大的原因主要是永磁電機(jī)法蘭的阻礙作用造成的。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3的聲壓級(jí)對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試也發(fā)現(xiàn)，永磁電機(jī)法蘭端正前方出風(fēng)口(測(cè)點(diǎn)1)的噪聲值受法蘭阻擋影響，噪聲值比附近區(qū)域偏小。為進(jìn)一步分析法蘭對(duì)噪聲的影響，測(cè)試時(shí)在測(cè)點(diǎn)1旁邊45°角、距離1 m布置測(cè)點(diǎn)6，(如圖6所示)。通過對(duì)比分析可知，1 800 r/min、2 400 r/min和3 000 r/min等轉(zhuǎn)速下測(cè)點(diǎn)6的噪聲值分別為80.7 dB(A)、87.9 dB(A)和93.3 dB(A)，超出測(cè)點(diǎn)1噪聲值2.8 dB(A)、3.3 dB(A)和3.5 dB(A)，表現(xiàn)出噪聲差值隨轉(zhuǎn)速增大而增大的趨勢(shì)。

圖6 出風(fēng)口及出風(fēng)口45°角的噪聲測(cè)點(diǎn)

圖7為轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)測(cè)點(diǎn)1(出風(fēng)口)、測(cè)點(diǎn)3(進(jìn)風(fēng)口)和測(cè)點(diǎn)6(出風(fēng)口45°)的噪聲1/3倍頻程。可以看出，測(cè)點(diǎn)6的噪聲值比測(cè)點(diǎn)1大3 dB(A)左右，當(dāng)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速高于2 000 r/min后，測(cè)點(diǎn)6的噪聲值大于測(cè)點(diǎn)3，且以氣動(dòng)噪聲為主，中心頻率為1 250 Hz。結(jié)合噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)將電機(jī)法蘭卸下，建議以出風(fēng)口45°噪聲值替代出風(fēng)口噪聲值。

圖7 轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)進(jìn)出風(fēng)口噪聲1/3倍頻程

4 永磁電機(jī)噪聲與振動(dòng)的關(guān)系

4.1 不同測(cè)試工況的振動(dòng)特性

為了分析永磁電機(jī)噪聲與振動(dòng)的關(guān)系，圖8給出永磁電機(jī)通電加速和斷電減速過程中振動(dòng)測(cè)點(diǎn)1的垂向加速度時(shí)頻色譜圖，其他測(cè)點(diǎn)及不同振動(dòng)方向的結(jié)果未列出。由圖8(a)可以看出，隨著時(shí)間的增加，永磁電機(jī)的振動(dòng)在增大，主要包括階次振動(dòng)和電磁振動(dòng)，56階和104階這兩個(gè)明顯的階次信號(hào)與永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，電磁振動(dòng)表現(xiàn)為開關(guān)頻率倍頻(2 000 Hz和4 000 Hz)的諧波成分，還包括120 Hz和1 067 Hz等特征頻率。由圖8(b)可以看出，隨著時(shí)間的增加，永磁電機(jī)的振動(dòng)在減小，主要包括階次振動(dòng)，56階和104階這兩個(gè)階次信號(hào)明顯，還包括1 067 Hz和3 500 Hz附近的特征頻率。

圖8 通電和斷電過程的永磁電機(jī)軸承座垂向振動(dòng)對(duì)比

圖9為振動(dòng)測(cè)點(diǎn)1在通電加速和斷電減速工況不同轉(zhuǎn)速下各方向的振動(dòng)加速度有效值對(duì)比。分別對(duì)比各方向在通電加速和斷電減速的加速度有效值差值大小，可知：(1)轉(zhuǎn)速高于1 800 r/min時(shí)，永磁電機(jī)軸承座的縱向振動(dòng)開始明顯增大，高于垂向和橫向的振動(dòng)；(2)通電加速和斷電減速工況下，縱向振動(dòng)的加速度差值在轉(zhuǎn)速1 200 r/min最大，垂向振動(dòng)的加速度差值也在轉(zhuǎn)速1 200 r/min最大，而橫向振動(dòng)的加速度差值在轉(zhuǎn)速1 400 r/min最大；(3)轉(zhuǎn)速范圍0～1 800 r/min時(shí)，電磁振動(dòng)是永磁電機(jī)振動(dòng)的主要組成部分；轉(zhuǎn)速范圍1 800～3 000 r/min時(shí)，主要來源為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)。

圖9 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)1的加速度有效值對(duì)比

4.2 永磁電機(jī)的1階振動(dòng)

圖10是將圖8的時(shí)頻色譜圖橫坐標(biāo)頻率范圍調(diào)整為0～200 Hz。由圖10可知，永磁電機(jī)存在1階振動(dòng)，在電機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)相對(duì)明顯。電機(jī)1階振動(dòng)主要反映因電機(jī)裝配誤差造成的軸承動(dòng)、靜平衡問題引起的振動(dòng)。因此，應(yīng)密切關(guān)注永磁電機(jī)在長期使用后可能出現(xiàn)的1階振動(dòng)過大現(xiàn)象。

圖10 永磁電機(jī)的1階振動(dòng)

5 結(jié) 論

通過對(duì)某城軌車輛永磁電機(jī)開展振動(dòng)噪聲測(cè)試及特性分析，得到以下結(jié)論：

(1)順時(shí)針、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)永磁電機(jī)噪聲影響非常小，額定轉(zhuǎn)速1 900 r/min的噪聲值約為80.3 dB(A)，3 000 r/min時(shí)的噪聲值為91.3 dB(A)；

(2)永磁電機(jī)斷電減速過程以氣動(dòng)噪聲為主，噪聲大小隨轉(zhuǎn)速逐漸降低，主要噪聲中心頻率為1 250 Hz；

(3)永磁電機(jī)通電加速過程產(chǎn)生電磁噪聲，轉(zhuǎn)速范圍0～900 r/min的電磁噪聲較小，轉(zhuǎn)速范圍900～1 200 r/min的電磁噪聲急劇增大，主要噪聲中心頻率為4 000Hz，轉(zhuǎn)速范圍1 200～3 000 r/min的電磁噪聲先降低后穩(wěn)定，2 000 r/min以上的電磁噪聲不再突出，主要以氣動(dòng)噪聲為主；

(4)轉(zhuǎn)速范圍0～1 800 r/min以電磁振動(dòng)為主，轉(zhuǎn)速范圍1 800～3 200 r/min主要為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)，同時(shí)，電機(jī)存在因裝配誤差產(chǎn)生的1階振動(dòng)。