永磁同步電機電磁噪聲抑制方法綜述

劉方韜,張成新,龐 悅

(曲阜師范大學 工學院,日照 276800)

0 引 言

2023年第一季度新能源汽車產銷累計完成165.0萬輛和158.6萬輛,同比分別增長27.7%和26.2%[1]。作為主流技術方向的純電動車型,在新能源汽車市場中的份額穩定維持在七成以上,行業主導優勢明顯。根據以上數據,在中國汽車市場,電動汽車已經逐步被消費者所認可。

永磁同步電機(以下簡稱PMSM)因其高效率、高轉矩密度和優秀的控制性能[2],已被廣泛應用于電動汽車的驅動系統[3]。電機的噪聲主要有機械噪聲、電磁噪聲和空氣噪聲[4-5],其中電磁噪聲頻率較高,占比最大。在電動汽車的駕駛環境中,高頻電磁噪聲將直接影響駕駛者和乘客的舒適度。另外,電磁振動還可能對電機自身的可靠性和壽命產生影響。因此,優化PMSM的電磁噪聲是新能源汽車技術研究的重要方向之一[6]。

1 電磁噪聲產生的原因

PMSM的電磁噪聲產生的機理是一個涉及電場、電磁場、機械場和聲場等多個物理量的復雜過程。高頻電磁噪聲的來源主要有兩個:由逆變器引入到電樞繞組中的電流諧波和電機的拓撲結構引起內部的電磁場諧波。

變頻逆變器涉及脈寬調制技術,其通過在固定周期內快速切換開關狀態來模擬所需的輸出電壓。但這種操作方法的非正弦波形輸出、開關設備的高速開關特性以及為防止短路而設置的死區時間都會引入電流諧波。當逆變器用于驅動電動機時,這些電流諧波會被傳輸到電動機的電樞繞組中引起電樞反應諧波磁場。

電樞反應諧波磁場與永磁體諧波磁場相互作用并在電機拓撲結構的影響下產生的氣隙磁場具有時間和空間的雙重屬性,包含了不同空間階次和時間頻率的磁密諧波含量,這些磁密相互作用產生電磁力諧波。電磁力諧波可以分解為使電機產生轉矩的切向電磁力和使定子鐵心發生形變的徑向電磁力[7],如下式:

式中:Br(θ,t),Bt(θ,t)分別為氣隙磁密的徑向分量和切向分量;μ0為真空磁導率。徑向電磁力的幅值遠大于切向電磁力。

定子鐵心的周期形變會帶動電機外殼和空氣一起發生周期振動,從而在空氣中產生聲學噪聲并向外輻射,噪聲產生機理如圖1所示。

圖1 振動噪聲產生機理

電磁力波引起的振動和噪聲不僅與力波幅值有關,還與力波階數有關[8],力波階數越低,所引起的振動和噪聲越大。當電磁力波的振型和頻率與定子系統自然模態振型和頻率接近時會產生共振現象[9],激發較大的電磁噪聲,在電機設計階段要避免這種現象的產生。

2 振動噪聲研究現狀

PMSM的振動噪聲可以采用數值法、解析法、半解析法[10]進行計算。數值法依賴于有限元分析軟件,通過建模可以應對復雜的幾何形狀和邊界條件,從而獲得更高的精度,但是因為計算數據量巨大,計算時間過長。解析法可以在較寬的速度范圍內快速計算振動和噪聲,然而只能通過3種邊界條件來描述電機支撐狀態,對于復雜電機會引起嚴重誤差。半解析法結合了數值法和解析法的特點,常用的方法是通過數值法計算電磁力,通過解析模型得到振動和聲輻射。

文獻[11]研究了影響PMSM輻射電磁噪聲的準確建模的幾個因素。實驗發現為了確保模型的精確性,在進行模態分析時,必須考慮到端蓋、散熱器,以及與機器安裝底座相連的部分。除非定子繞組的質量相對于整個結構的質量非常大,否則通常不需要考慮其影響。轉子的諧振頻率遠低于定子的諧振頻率,因此在考慮整體聲壓和定子振動時,轉子的貢獻可不考慮。在模態阻尼選擇上,傾向于選擇單個模態阻尼比,而非平均模態阻尼比。為提高計算的精確度,需要在模型中加入夾緊或簡單支撐的邊界條件。文獻[12]提出一種基于齒建模的高精度解析方法,此方案用齒的集中力作為激勵源來計算振動,避免了用力密度來計算時忽略電機中的高階電磁力所引起的振幅較大的低模態振動,然后采用疊加法疊加所有齒力激發的振動,計算電機表面總振動加速度。文獻[13]通過將實驗獲得的結構傳遞函數和從靜磁有限元獲得的磁力矢量相結合,獲得電機定子組件的精確頻率響應,此方法能夠準確判斷電機的振動響應,無需構建容易出現建模錯誤的結構有限元模型,而且能夠識別結構傳遞函數和磁力的時空分量的貢獻。文獻[14-17]提出了一種多物理場模型,用于預測變速范圍PMSM的電磁噪聲并分析其音質。如圖2所示,首先,建立二維電磁有限元模型,測試啟動過程中的電流,作為模型的輸入進行力計算;將力傳遞到結構模型,并使用模態疊加法預測振動;然后,基于結構模態信息和聲學傳遞矢量,建立電磁力與聲壓之間的噪聲傳遞函數。使用此功能可實現噪聲計算的平衡效率和準確性。

圖2 振動和噪聲的計算流程圖[14]

上述文獻主要研究由徑向電磁力引起的噪聲,然而切向電磁力在電機的聲學性能研究中同樣關鍵,其在驅動電機旋轉的同時,也可能成為噪聲的來源。文獻[18]發現高空間階氣隙力的開槽效應,也能誘發振幅較大的低模定子振動,稱為調制效應,存在此效應的電機,切向電磁力引起的振動約為徑向電磁力引起振動的一半。文獻[19]發現定子齒的杠桿效應使得非零階次切向電磁力也會產生隨空間階次增加而降低的振動,這種振動特點與徑向力引起的振動相似。轉矩的變化會導致電機和支架產生振動,并給基座施加不穩定的力矩,從而激發系統的振動。

3 電磁噪聲抑制研究現狀:

針對PMSM電磁噪聲產生的原因,可以將優化策略大致分為三類:一是設計時避開和定子模態類似的振型與頻率,避免共振產生;其次是降低低階次電磁力幅值,減小激勵源,進而降低噪聲;最后是增加系統阻尼,減小聲輻射傳遞效率。

3.1 避開共振頻率帶

當一個系統受到與其固有頻率相匹配的外部周期性激勵時,系統的振動響應會顯著增加。在設計階段可以通過改變極槽配合、機殼參數、轉子偏心、逆變器載波頻率等調整關鍵階次電磁力波頻率和定子的固有頻率,從而避免兩者振型和頻率接近而產生共振。

(1)電機本體結構角度

文獻[20]對8極12槽和8極9槽兩種不同極槽配合下PMSM振動和噪聲進行研究后發現,當定子槽數是轉子磁動勢諧波分量的整數倍時可以避免低階次徑向力諧波和定子之間的共振。文獻[21]對6種不同的齒槽配合的電機進行實驗研究,得到的振動頻譜如表1所述。定子內表面上電磁力諧波的最小模態階數為槽數和極數的最大公約數,最大幅值的諧波是模數等于極數。對于內部電磁力引起的定子振動,整數槽電機比分數槽電機的振動要小。

表1 不同齒槽配合電機定子外徑上各點的振動諧波

文獻[22]發現,極槽配合和繞組布置影響振動和噪聲,具有二階振動模態的12/10電機的噪聲性能較差,而具有6階振動模態的27/6電機具有更好的性能,模階大于或等于3的電機在噪聲性能方面是完全可以接受的。文獻[23]發現,轉子動態及靜態偏心均會產生額外的頻率與空間階次和定子低階模態相近的徑向電磁力諧波,易處于電機共振帶附近,導致電機的振動進一步惡化。

(2)電機控制策略角度

在傳統的正弦脈寬調制中,逆變器的輸出諧波功率峰值主要集中在開關頻率及其整數倍附近[24]。隨機脈寬調制策略[25]可以有效減小開關頻率附近及其整數倍的交流電機中的電磁振動和噪聲,并且可以減小逆變器端口輸出端濾波器的尺寸[26]。根據隨機性方式的不同,隨機脈寬調制可分為隨機開關頻率脈寬調制[27]、隨機脈沖位置脈寬調制[28-29]和隨機開關脈寬調制[30]。然而,在傳統的隨機脈寬調制中,無法選擇性地消除特定頻率諧波。文獻[31]通過連續掃頻調整高次注入諧波電流的頻率,分散頻譜能量,從而有效改善了電機的高頻振動和噪聲問題。這種方法通過打散頻譜能量,使得高頻振動和噪聲不再集中在某個特定的頻率,從而避免了產生共振和高頻噪聲。文獻[32]提出雙分支三相PMSM與載波相位偏移相關聯的方案,如圖3所示,具有載波移相 π的并聯逆變器可以使奇數階載波諧波和相關電流諧波在2個三相繞組中向相反方向流動,奇數階載波頻率諧波產生的磁動勢相互偏移有助于消除奇數階PWM頻率振動,但偶數階載頻振動仍然存在。

圖3 雙分支三相PMSM由帶耦合電感器的交錯并聯逆變器驅動

文獻[33]提出偽隨機三角載波調制方案,通過隨機組合2個具有相同固定頻率但相位相反的三角載波而開發的。2個三角載波的隨機選擇由偽隨機二進制序列(PRBS)隨機位的“0”或“1”狀態決定。隨機化導致部分諧波功率轉移到連續頻譜,并顯著平衡離散頻譜。這導致噪聲頻譜在很寬的范圍內擴散,從而顯著降低整體噪聲。偽隨機三角載波調制原理如圖4所示。

圖4 偽隨機三角載波調制技術框圖[33]

文獻[34]提出隨機脈寬調制選擇性頻譜整形控制策略,通過相互抵消輸出電壓傅里葉級數中的前后項來選擇性地消除特定頻率諧波,既能抑制開關頻率整數倍附近的振動和噪聲,又能選擇性抑制其他頻率下的電磁振動和噪聲。分散振動頻譜的方式雖然可以消弱噪聲尖峰,但是仍然存在局部的峰谷,文獻[35]提出了一種最優周期載波頻率PWM方案,可以削減由于電機的振動頻率響應函數不均勻特性引起的高頻振動峰值。載波頻率序列經過設計,使得零階電磁力的振幅與擴散范圍內的振動頻率響應函數成反比。與具有相同的周期載波頻率信號的頻率和PWM載波頻率的變化范圍的通用周期載波頻率PWM方案相比,最優的周期載波頻率PWM方案可以進一步平坦化振動光譜,并更有效地降低高頻振動水平和峰值。

3.2 降低電磁力波幅值

氣隙中的電磁力波是導致電機產生振動噪聲的主要激勵源,通過對定子、轉子、氣隙及永磁體的拓撲結構和尺寸進行深入的系統優化,不僅可以調整電磁力的諧波含量,而且能顯著地減弱其幅值。

文獻[36]研究了在PMSM轉子表面優化矩形開槽的位置,實現了高達70%的48次諧波徑向力下降。常見的轉子開口形狀如圖5所示。

圖5 各種轉子開口形狀[36]

文獻[37]對某款8極48槽的PMSM振動噪聲水平評估后,提高定子剛度和降低低階次電磁力幅值的結構可以對電機的振動噪聲有正面的影響。文獻[38]研究,選用恰當的不均勻氣隙將會使氣隙磁場的波形畸變率減小,反電動勢波形近似于正弦波, 空載氣隙磁密波形得到了優化,振動減弱。不均勻氣隙結構如圖6所示。

圖6 不均勻氣隙定轉子結構示意

得到氣隙磁場近似正弦分布時不均勻氣隙距的近似數學表達式:

式中:Dil為定子內經;θ1為磁極半跨距角;δmin為最小氣隙長度;δmax為最大氣隙長度。

文獻[39]采用響應面算法對永磁體的位置和角度進行優化,在不降低平均轉矩的情況下實現了噪聲的降低。文獻[40]研究了齒槽寬度對徑向電磁力的影響,槽口寬度越小,反電動勢有效值會越大,而且力波幅值會減小,從而削弱噪聲。文獻[41]建立了精準的PMSM多物理場電磁振動噪聲預測模型,提出兩種優化方案:一是通過優化齒槽寬度和永磁體圓角半徑來削弱徑向電磁力幅值,此種方法對單一頻率峰值噪聲效果明顯;二是通過轉子分段斜極和連續斜極來實現徑向電磁力沿軸向分布相位的優化,此種方法對多個頻率峰值噪聲進行削弱時更加有效。文獻[42]提出了,斜槽斜過定子齒距整數倍,可以降低齒槽轉矩的幅值,但過大的斜率會降低過載能力提高軸向力,一般斜過一個定子齒距是理想的斜槽角度。文獻[43]提出了在槽口處放置磁槽楔的方法,間接增加了齒的有效截面積,并使氣隙中磁通量的密度分布更加均勻,從而減弱氣隙中的諧波,有效減少磁場引起的振動。文獻[44]研究分析,將磁鋼層數設計為3層或2層對抑制電機的振動噪聲較為有利,通過對3層磁鋼電機的磁鋼槽端部進行削角處理,對2層磁鋼電機的轉子側開對稱的隔磁孔,可以進一步降低聲。隔磁孔結構如圖7所示。

圖7 電機轉子開隔磁孔示意圖

文獻[45]對電機定子齒采用不同的齒肩削角方式,仿真驗證,電機定子齒肩采用內切圓弧式削角方式的降噪效果明顯優于直線式削角方式的降噪效果。文獻[46]研究了,在永磁體用量相同的情況下,雙層永磁體的電機氣隙磁場諧波幅值總體上低于單層永磁體的電機。文獻[47]采用遺傳算法對樣機進行多目標優化,發現轉子磁體寬度、轉子磁體夾緊角、定子槽深度和定子槽寬是高靈敏度參數,轉矩波動對定子槽寬最敏感,平均轉矩對轉子磁體寬度最敏感,徑向力波幅值對定子槽深度和轉子磁體夾緊角更敏感。

3.3 降低聲輻射傳遞效率

通過改進定子和機殼的配合方式、繞組灌封以及改變定子的尺寸參數等措施來增加系統的阻尼值,使定子振動傳到空氣時得到大幅衰減,從而降低噪聲,目前此類方法較少。

文獻[48]提出在開關磁阻電機定子和機殼之間插入碳素彈簧鋼片的方案來增大阻尼,研究了板簧的張力和厚度對振動水平的影響,結果顯示,對高速噪聲的抑制更為明顯,此方案意在減小定子到外殼的振動傳遞,同樣也適用于PMSM。板簧安裝示意圖如圖8所示。

圖8 板簧安裝示意圖

文獻[49]研究發現,永磁體和定子之間的環氧化物樹脂膠可以降低電機的剛度和自然頻率,提高系統阻尼,進而影響電機的聲學特性。

4 結 語

在工程應用時,基于不同使用場景和成本的考慮,可以組合不同的優化策略。值得注意的是,在進行電機噪聲優化的過程中,可能會造成其他性能指標的變化。我們不僅需關注噪聲降低的效果,還必須兼顧電機的轉矩、效率、溫升等關鍵參數,以確保整體性能的均衡和優化。

總體而言,噪聲優化已經有了顯著的提高,電動汽車的駕乘體驗已經有了明顯的改善。結合研究現狀,今后可能有以下幾個研究趨勢:1)開發更精確和先進的建模和計算方法,以實現更復雜和精細的噪聲優化,當前的建模方法往往忽略了某些細微之處,而在計算過程中有時會忽視特定的非線性因素,這些因素導致仿真結果與實際的噪聲表現不完全一致;2)人工智能和機器學習與控制算法相融合,能夠根據實時的輸入和環境變化自動調整其行為,以實現實時響應和全速域的噪聲優化;3)研發新型高性能材料、提升制造工藝和裝配工藝,可以提高電機的性能并降低噪聲。