高性能油冷电机NVH优化研究.pdf

第 卷 年第 期 月.高性能油冷电机 优化研究李康军 胡军峰 彭国民 汤天宝(无锡星驱动力科技有限公司 江苏 无锡)摘 要:以一款高性能车用油冷电机为研究对象 对电机的 特性进行理论解析、仿真分析及台架摸底测试仿真分析表明电机的阶次振动结果超标 测试结果进一步对仿真结果进行验证 研究问题产生的主要原因 阐述了问题优化从降低电磁激励和加强壳体结构刚度两个方向 研究表明 电磁方案优化可以降低 的 阶径向电磁力和 的转矩波动 壳体加强后可以提升结构对电磁激励的衰减能力 测试结果验证优化方案振动降低 优化后的电机满足 性能要求关键词:油冷电机 电磁激励 振动和噪声中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:收稿日期:作者简介:李康军()男 硕士 研究方向为车辆动力总成 仿真与开发 引 言近些年来得益于新能源行业的快速发展 纯电动车辆保有量越来越大 其续航里程也一直是人们的关注点 因此对于电动车驱动电机而言 开发高功率大转矩的电机一直是各大主机厂研究方向 相对于水冷电机 油冷电机具有高峰值转矩 高输出效率 体积小等优势 因此在新能源车上应用也越来越广泛纯电车用电机在开发过程中 性能作为车辆核心属性 受到重点关注和研究 相对于传统车由于行驶过程中没有发动机噪声的掩蔽效应 电机噪声将更加突兀 因此在电机开发过程中 需要对电机 进行全面评估 包括开发虚拟仿真分析和实物样件 验证工作 电机在运行过程中 电磁激励作用于定子齿面上 通过定子结构传递到壳体表面 壳体上振动能量一部分通过悬置支架等主要结构传递路径传递到车内 另一部分向车内和车外辐射噪声 因此 在研究电机 问题时 一方面要关注电机工作时的电磁激励力 另一方面需关注定子和壳体结构的装配衰减特性为了有效控制电机振动和噪声 提升电动车驾驶舒适度 国内外学者做了很多相关研究 在电磁激振力方面 文献提出了在定子齿开槽来抑制振动 并且分析比较了槽深、槽型、槽口宽度对电机齿槽转矩和电磁力的影响 文献提出了不同槽极数对电机振动噪声的影响 文献总结了径向电磁振动和切向电磁振动的来源及影响因素 文献推导了理想条件下作用于定子内表面的径向力波的频率及阶次 通过试验应用阶次分析法对永 卷磁同步电机加速过程中的各阶次噪声来源进行了详细的阐述 文献推导了电磁力频率数学表达式总结了电磁力的频率特征 并通过振动、噪声测试数据对其分析的准确性进行了验证 文献描述了 极 槽 径向力波、噪声来源 并解释了电机噪声受壳体刚度、前后端盖的影响 文献 分析计算各部件的固有频率 并通过实验验证了有限元的准确性 文献分析了永磁同步电动机的模态 探讨了气隙径向磁密不均匀性 并总结出振动减小的方法 文献提出通过开槽可以间接改变分数槽永磁电机的极槽数配合 以达到削弱激振力波的目的 并采用机械阻抗法对比开槽前后的噪声声功率级频率 在电机控制方向 文献提出了通过谐波电流注入主动降噪方式 通过电流谐波的主动注入补偿 减小了低阶径向激振力幅值从而抑制了永磁同步电机的振动噪声基于上述研究 本文从电机激励源出发 结合电机壳体结构动态特性 利用仿真分析识别出电机 风险点 并在试验中验证了仿真的准确性 通过电磁方案优化减小电磁力激励和提升壳体系统刚度特性 从而达成了优化电机 性能目的 油冷电机结构及性能 电机结构研究对象是一款高性能车辆用的永磁同步电机采用电子油泵供油冷却 设计方案采用 极对 槽设计 其中转子叠片采用 段 字形斜极方式 定子由硅钢片叠压而成与壳体过盈方式安装 与壳体之间保留冷却通路 在冷却介质流经时由对流换热方式带走电机热量 确保电机在适当的温度范围内运转 电机壳体及定转子结构如图 所示图 电机定转子结构 电机性能本文研究电机参数如表 所示 电机最高工作电压 峰值转矩 峰值功率 该电机作为高性能四驱车辆的后驱动系统 在车辆请求大扭矩时 该电机开始输出扭矩以满足车辆加速性能表 电机基本参数参数参数值工作电压/峰值转矩/最高转速/(/)额定转矩/油冷电机 仿真分析永磁同步电机振动和噪声的研究相对复杂 是一个多耦合学科耦合问题 涉及电磁、机械、声学等学科 因此研究电机的振动和噪声时 通过电磁软件仿真得到气隙磁密 气隙磁密进行解析得到电磁力密度 而后在电机结构动态特征的基础上进行有限元仿真求解 得到电机壳体上的振动响应和辐射噪声 仿真分析流程如图 所示图 电机 分析流程 电磁力解析驱动电机作为车辆动力来源 工作原理是将电能转化为旋转机械能来驱动车辆 逆变器产生的交流电流输入到定子绕组产生绕组磁势 与气隙中转子内永磁体产生的磁势相互作用形成气隙综合磁势综合磁势与气隙磁导相乘 形成气隙磁密 气隙磁密分为径向和切向磁密 通过解析可以得到径向力和转矩脉动 其产生过程如图 所示图 电机电磁力产生过程电机工作过程中 定转子磁场均为旋转磁场相互作用后形成随时间和空间不断变化的电磁力特征 假设忽略磁阻 永磁体的磁导率与空气相同气隙磁密()解析表达式如下:()()()()式中()为气隙磁场密度()为气隙磁导()为综合气隙磁势 其表达式为()()()()式中()为通电绕组磁势()转子永磁体磁势 为定转子相对位置角 通电绕组的磁势与 关系如式()所示()()()式中 为电流磁势幅值 为极对数 为电机旋转角频率 为电流谐波次数 当定子槽数为整数 期李康军等:高性能油冷电机 优化研究时 谐波次数 ()转子永磁体与 的关系如式()所示()()()式中 为转子永磁体磁势幅值 为永磁体谐波次数 谐波次数 ()考虑定子槽的影响 不考虑转子凸极带来的气隙磁导变化 气隙磁导如式()所示()()()为气隙磁导的恒定分量为定子开槽产生的 次谐波磁导的幅值 为定子槽数将电流磁势谐波和转子永磁体磁势谐波导入公式()则得到永磁同步电机气隙磁场如式()所示()()()()()基于麦克斯韦张量法 在忽略气隙磁场饱和的情况下 作用气隙中电磁力密度计算公式如式()所示()()式中 为径向气隙磁密分量 为切向气隙磁密分量 因永磁同步电机切向磁密远小于径向磁密通常在考虑电磁力时忽略切向磁密 将式()代入式()中 展开将得到 项谐波分量 其中幅值最大的展开项为 其空间谐波为()对应的时间谐波阶次为()()为转速 和 分别为转子谐波阶次和通电绕组谐波阶次在非共振态的提前下 空间阶次数 与振动响应的 解析表达为()()为电磁力密度幅值 为空间阶次数 根据上述表达式 振动响应幅值与空间阶次数的 次方成反比 因此考虑电机 性能时只需关注空间 阶以下阶次针对 极对 槽电机 对应 章节中电磁力特性 其空间电磁阶次计算结果如表 所示 由表()数据可知 空间 阶以下只存在 阶阶次 因此该极槽配比的电磁力空间 阶为 主要研究阶次 定转子谐波磁场共同作用下 电机电磁力的时间阶次如表()所示 可以看到空间 阶次对应的时间阶次为 和 阶 阶为直流分量故不考虑其对 影响表 电磁力时间和空间阶次分解表()空间阶次分解表 ()时间阶次分解表 以上是关于电机电磁力的时空阶次解析 对于 极对 槽电机 主要关注阶次为 阶空间阶次下的 阶和 阶时间阶次 因此后续主要针对 和 时间阶次做振动噪声研究 电磁力仿真结果根据电磁方案和电机宏观参数 建立/电磁模型 模型如图 所示 电机定子外径 定子叠高 图 电机/电磁模型根据电磁模型仿真分析 得到气隙中的磁通密度 进一步分解得到径向力密度和转矩脉动 本文所研究转速范围 /选取 和 转矩点为 评估工况 根据 章节中关于电磁力的解析 在 中输出空间 阶下时间 和 阶径向和切向电磁力 图 中图()和图()分别是 和 阶的转矩波动 图()和图()为 和 阶的径向电磁力 卷图 电机转矩波动及电磁力分解电磁激励在恒转矩段数值恒定不变 到达功率转折点后 电机进入弱磁区域 电流快速增大导致电磁力突变上升 大扭矩工况 电磁力密度和转矩波动明显大于小扭矩工况 阶转矩波动和径向电磁力明显大于 阶 其中 阶径向电磁力密度远超/由此认为 阶 风险较大 振动响应仿真结果对于大数量级的有限元模型 采用精度和效率较高的模态叠加法进行振动响应仿真 在定子齿表面映射仿真得到电磁力密度 求解得到壳体外表面产生振动和辐射噪声 选取壳体上靠近悬置位置的点作为仿真结果输出 并与样机振动测试点一致如图 所示图 电机仿真结果输出点图 为电机扭矩 工况的计算结果 可以看到电机 阶和 阶在 附近出现峰值 且 以下和 以上振动位移幅值均超过 预测电机啸叫的风险较大图 阶次振动响应仿真结果 测试结果 电机 测试工况如图 所示 在半消声室中测试电机总成的振动和噪声 其中麦克风与电驱总成外包络面 的距离分别是左、右、前、后、上共 个方向的麦克风 振动传感器位置与仿真输出点保持一致 电驱总成与台架之间采用橡胶解耦方式连接 橡胶刚度与整车悬置刚度一致 以确保测试结果的稳定性和一致性图 电驱总成 测试台架 期李康军等:高性能油冷电机 优化研究测试过程中采用恒扭矩升速工况 转速范围/受台架最大扭矩限制 测试正驱扭矩范围为 电机 测试结果图 为电机壳体上测点位置的振动加速度频谱图 电机转矩为 从图中可以看出电机升速工况 和 阶次明显 阶在整个转速段内幅值较高图 升速工况振动 图提取 和 阶振动位移幅值 如图 所示 可以看出 阶振动在 和 左右存在峰值且超出目标值 阶振动幅值在 以下超出目标值 其中 超出目标值图 电机阶次振动测试结果 测试与仿真结果对比为了验证仿真分析的可靠性 把仿真和测试结果做了对比 图 为 和 阶的振动对比结果仿真与测试的转矩均为 工况 从图中可以看出 仿真出的振动与测试的振动趋势上一致 振动峰值的频率对应关系较好 以上仿真结果幅值略大于测试结果 主要是仿真时输入的模态阻尼值为定值所致 通过标定测试阻尼后 仿真和测试的吻合度将进一步提升图 仿真与测试振动结果对比 问题原因分析电机在输入电流和电流角不变的情况下 电磁激励在频域内非弱磁区域的幅值均为恒定值 因此在阶次振动上出现的峰值 初步判定为由于电磁激励激起电机定子及壳体结构的固有频率产生 从仿真分析结果可以进一步证明此机理 图()为电机定子和壳体装配体组成的呼吸模态振型 是引起壳体 振动的最主要原因 左右的频段峰值主要是由于壳体表面模态振型被激起 如图()所示 因此该电机 问题主要从降低电机电磁力激励和加强电机壳体结构刚度两个方面进行图 电机和壳体模态分析结果 卷 电机优化方案 电磁力优化方案根据 中原因分析 针对电磁方案进行优化以降低电磁力 经过几轮优化后发现该电机转子辅助槽和斜极角度对电磁力的影响较大 为了兼顾电机的峰值扭矩和效率性能 最终电磁优化方案如表 所示表 电磁优化参数参数参数值气隙/斜极角度/()大磁钢夹角/()小磁钢夹角/()电机结构优化方案加强壳体结构刚度 可以改变结构动态特性增强壳体对于电机激励的衰减能力 从而抑制电机运转时的振动和噪声 如图 所示 优化方案壁厚从 增加到 壳体表面加横向筋以提高壳体轴向刚度图 电机壳体优化措施 优化方案电磁力分析优化后的电磁方案 提取其阶次转矩波动和径向电磁力密度和转矩波动如表 所示 工况 和 阶电磁力和转矩波动均有不同程度的下降优化后转矩波动下降了 径向电磁力密度下降了 该优化电磁优化方案不仅降低了主阶次的径向电磁力 又减小了转矩波动表 优化前后电磁激励对比参数优化前优化后 阶转矩波动/阶扭矩波动/阶电磁力密度/(/)阶电磁力密度/(/)优化方案验证效果优化方案经台架测试验证 和 阶阶次振动幅值存在明显改善 如图 所示 从图()和图()可以看出 阶振动在 以下和 频段可以优化 阶振动在 以下频段可以优化 表明此优化方案 效果较好 可以满足 要求 预测电机啸叫风险较小图 优化方案振动彩图图 电机优化方案测试结果 期李康军等:高性能油冷电机 优化研究 结 论针对车用永磁同步电机的 问题 通过仿真和测试相结合的方法 在开发前期识别出 问题点通过研究优化最终有效改善该问题 得到的结论如下:()永磁同步电机的振动阶次特性可以根据极槽比确定 对于 极 槽永磁同步电机 性能重点关注空间 阶下的 和 阶时间阶次()电机 性能可以通过仿真分析的方法来预测 电磁仿真解析得到阶次扭矩波动及径向电磁力密度 通过有限元求解得到振动响应结果 仿真与测试结果吻合度较高 验证了仿真分析的准确性()电机的 性能优化可以根据实际问题研究 电磁激励和传递路径是主要的优化途径 电机电磁方案设计对电磁激励起决定性作用 优化 的同时也要兼顾电机其他性能 壳体设计时需规避壳体局部模态 尽量提升壳体对激励的衰减特性参考文献 王轶楠 唐冲 颜钢锋.定子齿冠开辅助槽抑制永磁电机齿槽转矩.微电机 ():.高辉 尹红彬 王永超 等.不同槽极数配合的永磁电机噪声特性分析.微电机 ():.孙玲 章桐 于蓬.永磁同步电机激励特性分析.机电一体化 ():.林福 左曙光 吴双龙 等.基于阶次分析的永磁同步电机噪声源识别.农业工程学报 ():.宋志环.车用驱动电机电磁振动噪声源诊断技术.电机与控制应用 ():.林巨广 吴梦.基于模态分析的永磁同步电机噪声研究.机械设计 ():.郑江 代颖 石坚.车用永磁同步电机的电磁噪声特性.电工技术学报 :.倪明明 廖连英 左言言 等.车用永磁电机电磁振动与噪声分析.微特电机 ():.李晓华 刘成健 梅柏杉 等.电动汽 宽范围调速振动噪声源分析.微特电机 ():.李晓华 黄苏融 李良梓.电动汽车用永磁同步电机振动噪声的计算与分析.电机与控制学报 ():.谢颖 黄苏融 李良梓 等.内置永磁同步电机减振设 计与研究.中国电机工程学报 ():.张冉 王秀和 乔东伟 等.基于辅助槽的永磁电机激振力波削弱方法.中国电机工程学报 ():.杨浩东 陈阳生.分数槽永磁同步电机电磁振动的分析与抑制.中国电机工程学 ():.(上接第 页)图 时 方案 相电压利用率仿真波形 电压利用率表示为 ()在过调制区(线性区和方波调制模式之间)此时电压利用率在 之间 无固定公式 结 语本文对 和 两种控制方案的调制度和电压利用率展开了系统研究 为后续提升电驱系统性能提供理论基础 首先在 控制方案下按照不同区间对调制度概念展开理论分析 并利用仿真手段对分析结果进行验证 然后在不同调制度区间下对电压利用率进行了阐述 仿真验证了当调制度增加到一定值后 方案的控制效果近似等效为方波控制方案 其次在 方案下 对线性区、过调制区、六拍模式区的调制度和电压利用率进行了理论分析及仿真验证参考文献 陈清泉 孙立清.电动汽车的现状和发展趋势.科技导报():.徐衍亮.电动汽车用永磁同步电动机及其驱动系统研究.沈阳:沈阳工业大学.袁登科 徐延东 李秀涛.永磁同步电动机变频调速系统及其控制.北京:机械工业出版社 .海瑟姆阿布鲁.交流传动系统高性能控制及/建模.北京:机械工业出版社 李亚伟 顾汝彬 张琳 等.永磁同步电机周期载波调制技术研究 .计 算 机 与 数 字 工 程 ():.暴杰 许重斌.电动汽车用超高效率电机驱动系统关键技术研究.汽车工艺与材料():.江哲懿.电动汽车永磁同步驱动电机控制方法的研究.北京:清华大学.任劲松 刘栋良 徐正华.永磁同步电机弱磁控制中过调制算法的 应 用 .工 业 控 制 计 算 机 ():.张艳芳 林飞 马志文 等.两种 过调制方法的比较研究.北京交通大学学报():.宛世源.过调制算法研究与实现.武汉:华中科技大学.