无刷直流电动机转矩脉动对振动与噪声的影响

无刷直流电动机转矩脉动对振动与噪声的影响

0电机振动的根源无刷直流机具有良好的功率密度、高效率和宽速范围的特点，在许多领域都得到了广泛应用。然而，无刷直流机的旋转动脉使系统产生振动和噪声，这在一定程度上限制了无刷直流机的应用。国内外很多学者对无刷直流电动机的转矩脉动做了深入的研究,但针对无刷直流电动机振动与噪声进行研究,分析其振动的根源的文献甚少。电机驱动系统产生振动与噪声的原因很多,对电机而言,主要是转矩脉动。无刷直流电动机的转矩脉动包括定位力矩和电磁转矩波动,成分比较复杂。定位力矩包括理想次数的成分和非理想次数的成分,电磁转矩波动的谐波成分也比较丰富。转矩脉动的测量需要专门的设备,有时是困难的。因此通过振动与噪声的测试,分析振动与噪声信号的主要成份及其频率,结合转矩脉动产生的原理,可以进一步分析转矩脉动的成分及其对系统的影响,为有效抑制电机的转矩脉动提供更有效的依据。本文从原理上定性讨论了永磁无刷直流电动机的定位力矩和电磁转矩波动问题,并针对电动助力车电机进行了实验研究,根据噪声的频率研究了引起电机振动噪声的转矩脉动成分。通过定子齿冠开槽和采用正弦波驱动方式减小了定位力矩和转矩波动,有效地抑制了电机振动与噪声。1电机的动两部分无刷直流电动机的转矩脉动包括定位力矩和电磁转矩波动两部分。前者是指绕组开路时,电机呈现的一种周期性转矩波动,它总是试图将转子定位在某一位置;后者是电机通电时绕组电流与气隙磁场作用产生力矩的波动分量。1.1电机的定位特性定位力矩是永磁类电机的固有特性,主要成分是齿槽力矩,其本质是由于定子开槽引起磁阻不均匀,导致磁能随着转子位置变化而产生的转矩。定位力矩是周期性变化的,分为理想和非理想定位力矩。理想定位力矩次数与极数和齿槽数有关。电机每转一周,定位力矩的波动次数v为:v=2pZC(1)v=2pΖC(1)式中:p为极对数;Z为定子齿数;C为2p与Z的最大公约数。非理想定位力矩包括定子缺陷产生的每周2p及其倍数次和转子缺陷产生的Z及其倍数次定位力矩。本文以电动助力车电机为对象进行了定位力矩的测试。实验样机基本参数如表1所示。实验测定定位力矩波形如图1所示。该电机的定位力矩主要成分的次数为每转90次,主要是理想定位力矩,频率为绕组电流频率的18倍。定位力矩的单峰值为0.49N·m,约为样机额定转矩的5%。1.2电机的电磁扭矩特性在实际电机中,绕组反电动势很难实现平顶形波。尽管绕组外加方波电压,电流也不是平顶波。同时,绕组中存在电感,换向时电流存在过渡过程,因此,电机的电磁转矩不是恒定的,存在较大的力矩波动。图2为Y形接法、三相六状态方波驱动时电磁转矩的仿真波形。电磁转矩含有频率为电流基波频率6倍数次的转矩波动,主要为6倍次的转矩波动,波动幅值较大。电机负载工作时,定位力矩相对较小,已经不是振动与噪声的主要来源,负载时电机振动噪声主要来源于电磁转矩波动。2实验结果与分析定位力矩和电磁转矩波动都是按照其固有的规律变化的,不同频率的成分都会对系统的振动与噪声产生影响,一定频率的噪声对应一定的转矩脉动成分。通过对噪声频率的分析,可以确定噪声产生的根源,为抑制转矩脉动和噪声提供依据。因此为分析电机振动噪声的来源,对样机进行了噪声测试实验。实验过程中,电机在空载或带负载运行,调节电机转速,在某转速下,电机将产生明显的振动与噪声,此时电机的转矩脉动频率接近机械系统的谐振频率。实验结果如图3所示。图3a为电机空载运行于110r/min时的噪声信号波形,听觉上表现为啸叫,噪声幅值达71.2dB。在一个电流周期噪声信号出现18次波动,主要成分的频率为165Hz。图3b为负载转矩为0.5N·m、转速为326r/min时的噪声信号波形,噪声幅值达70.6dB。在一个电流周期噪声信号出现6次波动,主要成分的频率为163Hz。图3c为负载转矩为9N·m、转速为246r/min时的噪声信号波形,噪声幅值为62dB。噪声信号波动频率与电流基波频率没有明显的关系。根据理论分析与计算结果,6倍次转矩纹波为电磁转矩波动的主要成分,只有在6倍次转矩纹波的频率与机械系统谐振频率(根据实验结果可以确定,机械系统的谐振频率在160Hz附近)接近时(图3a、图3b),系统才发生共振。以上实验结果及分析表明:在空载情况下,该电机噪声频率为电流频率的18倍,即每旋转一周变化90次,所以噪声主要来源于定位力矩;在负载情况下,噪声主要来源于电磁转矩中的6次波动。虽然定位力矩波动的幅值远小于电磁转矩波动的幅值,但测试结果表明电机空载时的噪声大于负载时的噪声。这是由于噪声的大小不但与转矩脉动有关,还与机械系统的固有特性有关。为减小转矩脉动,抑制电机振动和噪声,必须减小定位力矩和电磁转矩波动。3振动耦合和振动噪声的抑制3.1转子齿冠开槽测量定位力矩的抑制有很多种方法,如极槽配合法、磁极优化法、斜极、斜槽、闭口槽法等,但这些方法通常会受到结构设计的限制。由于齿槽的作用主要是槽口的作用,在定子齿冠上开槽等效于在原有的齿槽力矩基础上附加一个齿槽力矩,如果在齿冠的适当位置开槽,使附加的齿槽力矩与原有齿槽力矩相位相差180°电角度,则电机的齿槽力矩将得到最大限度的抑制。定子齿冠开槽后,实测定位力矩的幅值得到降低(如图4所示),单峰值为0.16N·m,与开槽前相比,减小约70%。电机空载运行于110r/min时,噪声信号波形如图5所示,噪声幅值为61.4dB,空载时的振动与噪声得到了有效的抑制。3.2电机噪声测试由于采用表面式瓦形磁钢,相反电动势谐波成分以三次为主,但由于采用无中线的Y形连接,线反电动势中无三次谐波成分。转矩波动主要是5次谐波电势和电流产生的6次波动分量,其他高次谐波成分影响相对较小。理论上,电机采用正弦波驱动时,不存在电磁转矩波动。由于助力车电机不易外加旋转变压器等复杂位置传感器,本文设计了以开关霍尔为位置传感器的正弦波驱动控制器,对电机进行噪声测试实验,电机运行于326r/min时的实验测试波形如图6所示。采用正弦波驱动后,电机噪声幅值为56.8dB,得到明显的削弱。4电机振动噪声主要来源(1)基于噪声测试分析电机的转矩脉动问题是行之有效的方法。针对噪声主要成份的频率与电机电流频率的关系,可以准确地确定电机振动与噪声的来源。(2)电机空载运行时,噪声主要成份的频率与定位力矩频率相一致,因此空载时的噪声主要来源于电机的定位力矩。电机负载运行时,电磁