基于分段隔磁桥的 V 型转子永磁电机的振动噪声削弱方法

电动汽车用V型转子永磁电机中的电磁噪声是电动汽车噪声的主要来源，影响到乘车人的舒适度问题。本文以1台额定功率104kW的电动汽车用V型永磁电机为研究对象，分析电机电磁噪声产生的原因，提出一种在转子中开设分段隔磁桥的方案以降低电机的振动噪声，并与不分段隔磁桥、双层分段隔磁桥方案进行比较。在Maxwell中建立仿真计算模型，并采用有限元法对多个优化方案的电机模型进行电磁性能、振动、噪声的分析比较，并通过样机的振动噪声试验证明了计算方法的正确性及准确性。结果表明，考虑到制作工艺等问题，采用单层分段隔磁桥能够在几乎不影响电磁性能的情况下，有效地减弱电机的电磁噪声。进入21世纪以来，由于传统燃油汽车会消耗能源、污染环境，新能源汽车渐渐成为人们发展研究的热点。随着科技进步，人们乘坐或驾驶汽车时对舒适度的要求也变得越在汽车行业也成为从业人员重点关注的问题［1在众多种类电机中，永磁同步电机因为其结构紧凑、效率高等优而其中V型转子磁钢的设计结构会使得永磁电机具有较强的弱磁扩速、过载能力，因此经常用于新能源汽车的驱动电机中［3］。但这种类型的永磁电机作为驱动电机使用时，由于需要满足质量较轻、功率密度较高等要求，会产生较大的振动噪声［4］。因此，电动汽车用永磁电机在满足电磁性能的情况下，也要尽量近几年来，在设计时考虑如何抑制永磁同步电机的电磁振动噪声是国内外学者共同研究的热点问题之一。文献［5］相比于传统的单层铁心结构，设计了一种双层铁心结构，同时改变绕组的排布方式，成功优化电机气隙磁场，抑制了电机文献［6］研究分析多种极槽配合下电机的电磁力阶次，同时分析经过分析对比，最后得出结论:8极12槽电机相比于10极12槽电机能够更好地减弱电机的振动噪声。文献［7］研究硅钢片中磁致伸缩效应对电机振动噪声的影响，采用有限元法计算在理想电流下的振动噪声情况并采用试验进行验证，为之后研究振动噪声提供了参考。文献［8］研究一台35kW电动汽车车用电机，通过在转子外缘开辅助槽，在多种不同的辅助槽参数中寻求最优结果，最后得出结论:合适的辅助槽参数可以成功地降低电机的振动噪声。文献［9］研究20kW内置式永磁电机中磁钢层数对电机性能的影响，经过分析对比、试验验证得出结论:合适的磁钢层数可以降文献［10］研究一种分数槽永磁同步电机，通过解析法计算推导不同齿削幅度角情况下各次谐波的幅值，结果表明这种方法可以减轻电机振动幅度，降低最大噪声声压值。文献［11］提出了一种优化定子齿廓的新方法。通过有限元方法确定定子齿最佳偏移距离，经过实验验证，证明了采用新方案可以成功地减弱电机振动和噪声幅值。文献［12］针对一台内置式永磁同步电动机(InteriorPermanentMagnetSyn_x0002_chronousMotor，IPMSM)研究不同供电方式对振动噪声的影响，重点分析在逆变器供电方式下电流谐波对电通过分析多个工况下样机的电磁力波、振动噪声情况，与样机试验相互验证对比得出结论，逆变器供电方式下引入的电磁力波频率分量会使电机在恒功率调速下产生较大的振动噪声。本文针对一台额定功率为104kW电动大巴车用永磁电机，推导电磁力产生的原理，建立电机仿真模型，并给出了一个在转子中开设分段隔磁桥的方法，通过优化气隙磁通密度，减少谐波、电磁力，在基本不影响电机电磁性能的情况下，优化电机的振动噪通过与不分段隔磁桥、双层分段隔磁桥两种方案在电磁、振动、噪声方面进行分析对比，得出结论，考虑到制作工艺等问题的影响，开设单层分段隔磁桥可以有效地减弱电机的电磁振动噪声，最后通过原电机样机的振动噪声试验证明了计算方法的正确性及本文研究的电动汽车用永磁同步电机计算模型如图1所示，该电机是一台12极54槽V型转子永磁同步电机，其主要参数见表1。62.2电机径向电磁力分析电机运行过程中产生电磁振动噪声的主要原因是电机的定子受到电磁力来源于永磁体和电枢绕组两者产生的磁场共同作用。在研究永磁电机的电磁振动噪声问题之前，首先要计算分析永磁计算定子铁心径向电磁力的密度时采用麦克斯韦张量法，表达式式中，Br为电机气隙径向磁通密度;fr为定子上的径向电磁力密度;Bt为电机气隙切向磁通密度;由于空气磁导率远远不及铁磁材料的相对磁导率，气隙中大部分磁力线近似垂直于中心圆弧。因此，切向磁通密度远远小于径向磁通密度，由此将径向电磁力简化为:永磁电机的气隙磁通密度由永磁体和电枢绕组产生的磁场相互作永磁同步电机的各个参数中，q为每极每相槽数，z为定子槽数，每极每相槽数表示为:转子谐波磁场产生的磁势谐波次数为:v,=(2h+1)pk=0,1,2,3,…（4）将每极每相槽数化为最简形式，a为最简形式的分子，d为最简形式的分母:电机的定子磁场产生的磁势谐波次数为:式(6)既适用于整数槽电机也适用于分数槽电机。电枢反应磁场产生的磁势谐波次数为:v,=(3n+1)pn=0,土1,土2,±3,…（7）转子永磁体磁场的vr次谐波和电枢磁场的vs次谐波产生的各次阶数电磁力为:其中径向电磁力的频率为:式中，n1为电机转速;f1为电机基波电频率，基波电频率即电机电机存在的前几阶次径向电磁力波阶数见表2。vrvs606研究如何抑制车用电机的电磁振动噪声，就要从减小径向电磁力幅值角度考虑，而由于径向电磁力基本上由径向气隙磁通密度决定，磁路的不同走向会改变径向气隙磁通密度的大小［17］。本节在电机转子结构中开设分段隔断桥并与不分段隔磁桥方案比较分析，在转子结构中开设分段隔磁桥方案如图2所示，分段隔磁桥参数如图3所示，不分段隔磁桥如图4所示。分段隔磁桥相比于不分段隔磁桥的优势在于可以弧形排列，更好地优化气隙磁通密度的波形，同时使用起来也更加灵活、方便。3.1有限元电磁仿真分析建立原电机与在转子中开设两种不同隔磁桥的电机模型，利用Maxwell软件对3种电机模型进行求解对比分析，对比原电机与分段隔磁桥模型空载时的气隙径向磁通密度如图5所示，求解分析各个模型快速傅里叶变换分解结果如图6所示，谐波畸变率见从图6、表3可知，在转子中开设分段隔磁桥相比于不分段隔磁桥对气隙磁通密度基波幅值影响更小，相当于对永磁电机的电磁性能影响甚微;同时气隙磁通密度的波形近似于正弦，优化程度较好，谐波畸变利用场计算器仿真计算得到定子齿表面径向电磁力密度与时间、空间的结果如图7所示，同时针对电磁力进行二维傅里叶分析，从图8中可以看出，除基波外，2次时间谐波和12次空间谐波、4次时间谐波和24次空间谐波产生的电磁力谐波较大，将前者认为是谐波1、后者认为是谐波2。然后将电磁力谐波幅值进行比较，如图9所示。分段隔磁桥相比不分段隔磁桥可以在略微影响基波的情况下，降3.2振动噪声分析将电磁仿真的二维场结果导入Workbench谐响应分析模型中，设置求解频率范围为0～10000Hz。导入的载荷作用点设置在定子齿的几何中心，对电机的振动进行根据得到的振动结果，对振幅较大频率下的电磁力谐波幅值进行比较，最后得到不同方案下振动位移曲线和电磁力谐波幅值比较率下振动较大，开设分段隔磁桥可降低电机在定子齿上的振动，比较电磁力谐波幅值可知，分段隔磁桥与不分段隔磁桥两者在振幅较大频率下电磁力谐波幅值基本一致，同样较原电机相比幅值较低，但不分段隔磁桥影响基波程度较大，而分段隔磁桥模型能在不影响电磁性能的情况下，降低振动幅度。将振动结果导入声场模型中进行声场分析，如图12所示。如图12所示，分段隔磁桥模型与原电机、不分段隔磁桥两种模型相比，有效降低了电机的噪声情况，不仅在整体趋势上减弱了电机的电磁噪声，在电机基波电频率偶数倍对应的重点频率4各方案噪声数据分析见表4。隔磁桥大小、形状、数量等因素都会影响磁路中磁阻的大小，从而影响电机的振动、电磁噪声。本文在转子中开设单层分段隔磁桥方案的基础上，在原位置下方开设另一层分段隔磁桥形成双层分段隔磁桥，其中孔的大小参数不变，并与第3节中单层分段隔磁桥进行对比分析，研究其对电机电磁性能与振动噪声的影响。4.1有限元电磁仿真分析建立双层分段隔磁桥方案的电机模型后，借助Maxwell对原电机、第3节中提出的单层分段隔磁桥、双层分段隔磁桥三种电机模型进行分析对比，空载径向气隙磁通密度快速傅里叶变换分解结果如图14所示，谐波畸变率见表5。从图14、表5可以看出，双层分段隔磁桥相比于单层隔磁桥来说，降低气隙磁通密度波形的3、7次谐波的效果基本不变，谐波计算完定子齿表面径向电磁力密度与时间、空间的结果后，同样将2次时间谐波和12次空间谐波、4次时间谐波和24次空间谐波产生的电磁力认为是谐波1、后者认为是谐波2，然力谐波幅值进行比较如图15所示。双层分段隔磁桥相比于单层分段隔磁桥影响基波的程度会大一些，前者降低谐波2效果好一点，但是两者降低谐波1效果基本相同。4.2振动噪声分析同样将电磁力结果导入到Workbench谐响应分析模型中进行振动分析，得到的结果如图16所示，然后对振幅较大频率下的电磁力谐波幅值进行比较，如图17所示。Hz频率下的振动较大，双层隔磁桥不管是在振动幅度还是振幅较大频率下的电磁力谐波幅值都比单层隔磁桥略小一些。然后将振动结果导入声场模型中进行声场分析，如图18所示，噪声数据分析见表6。如图18、表6所示，开设双层分段隔磁桥与单层分段隔磁桥相比，噪声整体趋势基本相同，噪声峰值下降幅度、噪声整体下降幅度基本相同，前者峰值下降幅度略大一些。总体来说，两种分段隔磁桥方法相比于原电机在降低噪声水平都有不错的效果，证明了优化措施的有效性。为验证计算方法的正确性及准确性，本文将原V型转子永磁电机的试验结果与仿真结果做了对比分析。噪声实验在沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心消考虑到车用电机的实际情况，对电机空载运行的两个转速进行噪1234512345通过对表7、表8中各点的计算值和测量值进行比较发现，模型仿真分析和样机试验两种情况下的计算误差约为5%，符合设计要求，进一步证明了本文计算方法的准确性和正确性。本文针对一台额定功率为104kW电动大巴车用永磁电机，在有限元软件中建立仿真模型，对电机的电磁性能、振动、噪声情况进行求解分析，并提出一种在转子结构中开设单层分段隔磁桥的优化方法，并与不分段隔磁桥、双层分段隔磁桥进行比较分析。并将原电机的有限元仿真结果与样机实验结果互相验证，证明了计算方法的合理性、有效性，得到以下结论:(1)本文所研究的分数槽12极54槽永磁同步电机存在的较低电(2)在转子中开设分段隔磁桥相比于不分段隔磁桥可以有效改善气隙磁通密度波形，降低谐波含量、谐波畸变率，达到减小径向电磁力幅值的效果，从而减小电机的振动、电磁噪声。经过优化后电机的噪声峰值下降7.8%，整体趋势下降较为明显。(3)双层分段隔磁桥相比于单层分段隔磁桥方案，整体趋势基本不变，噪声峰值下降幅度略微大一些，考虑到制作工艺的影响，开(4)本文V型转子永磁电机噪声的试验结果与仿真结果经过对比分析，发现误差均在5%以下，符合设计要求，证明了本文计算参考文献(References):noisecharacteristicsofpermanentmagnetsynchronousmotorap_x0002_pliedinelectricvehiclebe_x0002_haviorevaluationofDCmotorandPelectrictrac_x0002_tionapplication［A2016机的电磁振动噪声削弱方法研究［J中国电机工程学报，e_x0002_lectromagneticvibrationandnoisereductionelectricvehi_x0002_cles［JProceedingsoftheCSlow-vi_x0002_brationlow-leakagefieldmotor［A2014InternationalConferenceonElectricalMachinescomputationofmagneticvibrationsourcesin100kWtwofractional-slotinteriorpermanentmagnetmachinesfor867-870.onvibrationandnoiseofpermanentmagnetsynchronousmotorwithmagnetostrictioneffects［JAdvanced76-81.vi_x0002_brationandnoiseofvehiclepermanentmagnetsynchro_x0002_nousmotorbasedonauxiliaryslotofrotoral．Meas_x0002_urestoreducevibrationandnoiseofinteriorpermanentmagnetsynchronousmotorwithmultilayerpermanentmag_x0002_nets［JElectric磁同步电机振动噪声削弱方法［J电工技术学报，2015，approachofthevibrationandnoisebasedonthestatortoothchamferinginPMSMwithsimilarnumberofpolesandslots［JTransactionsofChinaElectrotechnicaldesignofelectromagneticvibrationandnoisereductionmethodofpermanentmagnetmotor［JJournal