CN108539935A - 电动汽车永磁同步电机宽范围调速振动噪声源分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动汽车永磁同步电机宽范围调速振动噪声源分析方法，对车用永磁同步电机振动噪声进行精确分析。本文首先建立多物理场永磁同步电机PMSM振动噪声分析模型，理论分析了PMSM电磁力波特征参数和各阶力波的谐波来源，特征参数包括力波阶数r，力波频率fr和力波幅值Peak‑r/fr，建立了PMSM多物理场耦合振动分析有限元模型，计算其宽范围调速下振动噪声频谱特性，最后理论分析样机的主要振动噪声源；最后实验与理论和仿真进行验证。实现对永磁同步电机振动噪声进行有效的分析。本文分析方法可以推广到一般整数槽多极对数电动汽车PMSM，为电动汽车低振动噪声PMSM的设计提供理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机振动噪声分析技术，特别涉及一种电动汽车永磁同步电机宽范围调速振动噪声源分析方法。
背景技术
整数槽PMSM(永磁同步电机Permanent Magnet Synchronous Motor)由于其高功率密度、宽调速范围、高效率等良好性能广泛应用于电动汽车。然而宽调速范围的电磁力波谐波引起的电磁振动噪声会降低电动汽车乘坐舒适性和运行可靠性。因此找出主要振动噪声源，并指导电机电磁或者结构的优化设计，对提高电动汽车的舒适可靠性和运行稳定性具有重要意义。
发明内容
本发明是针对永磁同步电机振动噪音的问题，提出了一种电动汽车永磁同步电机宽范围调速振动噪声源分析方法，分析永磁同步电机PMSM振动噪声，为永磁同步电机设计提供理论基础。
本发明的技术方案为：一种电动汽车永磁同步电机宽范围调速振动噪声源分析方法，具体包括如下步骤：
1)理论分析了永磁同步电机电磁力波特征参数和各阶力波的谐波来源，特征参数包括力波阶数r，力波频率fr和力波幅值Peak-r/fr；
2)建立永磁同步电机电磁场和结构场强耦合模型，进行电磁场与结构场耦合仿真分析，计算其宽范围调速下振动噪声频谱特性；
3)针对所研究永磁同步电机对象，根据步骤1)进行特征参数和各阶力波的谐波来源分析，理论推导所研究永磁同步电机对象的主要振动噪声源；
4)对所研究永磁同步电机对象进行实验测试，得到实验数据，利用实验数据对比仿真数据和理论推导，进行验证步骤3)振动噪声源结论。
所述步骤1)具体步骤如下：
1.1)推导永磁同步电机气隙磁场，不考虑铁芯磁阻和饱和的影响，正弦电流供电时气隙磁密的表达式为：
其中，fμ(θ，t)＝Fμcos(μpθ-μωt)为μ次转子永磁体谐波磁动势，μ＝1，3，5...，p为电机极对数；ω为基波磁势角频率；Fμ为转子永磁体μ次谐波磁动势幅值，θ为电机机械角度；
fν(θ，t)＝Fvcos(νpθ-ωt-φv)为定子v次谐波磁动势，v＝1，5，7，；Fv为转子永磁体μ次谐波磁动势幅值，φv为v次定子电枢谐波初相位；
为气隙磁导函数；式中Λ0为气隙磁导函数的恒定分量，Λk为气隙磁导的谐波分量，k＝1，2，3...为气隙磁导谐波次数，z为定子槽数；为平均磁导调制产生的转子磁场在气隙中的磁密，为开槽磁导调制产生的转子磁场在气隙中的磁密；为平均磁导调制产生的定子磁场在气隙中的磁密，为开槽磁导调制产生的定子磁场在气隙中的磁密；Bpm为平均磁导调制产生的转子磁场在气隙中的磁密与开槽磁导调制产生的转子磁场在气隙中的磁密之和，Bs为平均磁导调制产生的定子磁场在气隙中的磁密与开槽磁导调制产生的定子磁场在气隙中的磁密之和；
1.2)按照麦克斯韦应力张量法并忽略切向磁通密度，单位面积上径向电磁力波的瞬时值表达式为：
pr(θ，t)是定子内表面单位面积上的径向电磁力密度，单位为N/m2；b(θ，t)为气隙磁密，μ0＝4π×10-7H/m为真空磁导率；ppm为转子磁场相互作用产生的电磁力密度，ps为定子磁场相互作用产生的电磁力密度，ppm-s为定转子磁场互相作用产生的电磁力密度；
1.3)推导转子磁场相互作用产生电磁力密度特征参数，
转子磁场相互作用产生的电磁力密度ppm为：平均磁导调制的转子磁场相互作用产生的电磁力波平均磁导调制的转子磁场和定子开槽磁导调制的转子磁场相互作用产生的电磁力波定子开槽磁导调制的转子磁场相互作用产生的电磁力波之和；
整理电磁力特征参数如表1所示，
表1
其中n为电机的转速，p为电机的极对数；为平均磁导调制的转子磁场气隙磁密；为开槽磁导调制的转子磁场气隙磁密；μ1和μ2分别代表相互作用的两个相互作用转子磁场的谐波次数，与μ同含义；当μ1和μ2相等时，用μ代替；
1.4)推导定转子磁场相互作用产生电磁力波特征参数，
定转子磁场互相作用产生的电磁力密度ppm-s为：平均磁导调制的定转子磁场相互作用引起的电磁力波平均磁导调制的转子磁场和定子开槽磁场调制的定子磁场相互作用产生的电磁力波定子开槽调制产生的转子磁场和平均磁导调制定子磁场相互作用产生的电磁力波定子开槽磁导调制产生的定转子磁场相互作用产生的电磁力波之和；
整理电磁力波特征参数如表2所示定转子磁场相互作用产生径向力波的特征参数表，
表2
1.5)推导定子磁场相互作用产生电磁力波特征参数，
定子磁场相互作用产生的电磁力密度ps为：平均磁导调制的定子磁场相互作用产生的电磁力波平均磁导调试的定子磁场和定子开槽磁导调制的定子磁场相互作用产生的电磁力波定子开槽磁导调制的定子磁场相互作用产生的电磁力波之和；
整理电磁力波特征参数如表3所示定转子磁场相互作用产生径向力波的特征参数表，
表3
其中为平均磁导调制的定子磁场气隙磁密，为开槽磁导调制的定子磁场气隙磁密；v1和v2分别代表相互作用的两个相互作用定子电枢磁场的谐波次数，与v同含义；当v1和v2相等时，用v代替。
所述步骤2)具体步骤如下：
2.1)在Maxwell有限元仿真软件中以永磁同步电机具体结构参数建立永磁同步电机2D电磁有限元模型；
2.2)在SolidWorks设计软件中以永磁同步电机具体结构参数建立永磁同步电机3D定子结构模型；
2.3)在Workbench有限元仿真软件中设置永磁同步电机材料参数，对永磁同步电机进行模态分析，模态分析得到电机定子结构的固有频率和振型；
2.4)在Workbench有限元仿真软件中设置永磁同步电机材料参数，建立永磁同步电机电磁场和结构场强耦合模型，进行电磁场与结构场耦合仿真分析，计算其宽范围调速下振动噪声频谱特性。
本发明的有益效果在于：本发明电动汽车永磁同步电机宽范围调速振动噪声源分析方法，实现对永磁同步电机振动噪声进行有效的分析。此方法可广泛应用于一般整数槽多极对数电动汽车永磁同步电机PMSM振动噪声的分析。
附图说明
图1为本发明电动汽车永磁同步电机宽范围调速振动噪声源分析方法流程示意图；
图2为本发明永磁同步电机2D电磁有限元模型图；
图3为本发明永磁同步电机3D定子结构模型图；
图4为本发明永磁同步电机3D定子结构模态图
图5为本发明永磁同步电机电磁场-结构场耦合图；
图6为本发明永磁同步电机电磁振动噪声计算结果图；
图7为本发明永磁同步电机电磁振动信号实验图；
图8为本发明永磁同步电机电磁噪声信号实验图。
具体实施方式
如图1所示电动汽车永磁同步电机宽范围调速振动噪声源分析方法流程示意图，具体包括如下步骤：
步骤1、理论分析了PMSM电磁力波特征参数(力波阶数r，力波频率fr，力波幅值)和各阶力波的谐波来源。
1.1推导永磁同步电机气隙磁场，不考虑铁芯磁阻和饱和的影响，正弦电流供电时气隙磁密的表达式为：
其中，fμ(θ，t)＝Fμcos(μpθ-μωt)为μ次转子永磁体谐波磁动势，μ＝1，3，5...，p为电机极对数；ω为基波磁势角频率；Fμ为转子永磁体μ次谐波磁动势幅值，θ为电机机械角度。
fν(θ，t)＝Fvcos(νpθ-ωt-φv)为定子v次谐波磁动势，v＝1，5，7，；Fv为转子永磁体μ次谐波磁动势幅值，φv为v次定子电枢谐波初相位。
为气隙磁导函数；式中Λ0为气隙磁导函数的恒定分量，Λk为气隙磁导的谐波分量，k＝1，2，3...为气隙磁导谐波次数，z为定子槽数；为平均磁导调制产生的转子磁场在气隙中的磁密，为开槽磁导调制产生的转子磁场在气隙中的磁密；为平均磁导调制产生的定子磁场在气隙中的磁密，为开槽磁导调制产生的定子磁场在气隙中的磁密；Bpm为平均磁导调制产生的转子磁场在气隙中的磁密与开槽磁导调制产生的转子磁场在气隙中的磁密之和，Bs为平均磁导调制产生的定子磁场在气隙中的磁密与开槽磁导调制产生的定子磁场在气隙中的磁密之和。
1.2按照麦克斯韦应力张量法并忽略切向磁通密度，单位面积上径向电磁力波的瞬时值表达式为：
pr(θ，t)是定子内表面单位面积上的径向电磁力密度，单位为N/m2，b(θ，t)为气隙磁密，μ0＝4π×10-7H/m为真空磁导率。ppm为转子磁场相互作用产生的电磁力密度，ps为定子磁场相互作用产生的电磁力密度，ppm-s为定转子磁场互相作用产生的电磁力密度。
1.3推导转子磁场相互作用产生电磁力密度特征参数(力波阶数r，力波频率fr，力波幅值)，来源为下式和表1转子磁场相互作用产生的径向力波特征参数表。
平均磁导调制的转子磁场相互作用产生的电磁力波为：
平均磁导调制的转子磁场和定子开槽磁导调制的转子磁场相互作用产生的电磁力波为：
定子开槽磁导调制的转子磁场相互作用产生的电磁力波为：
其中为平均磁导调制的转子磁场气隙磁密；为开槽磁导调制的转子磁场气隙磁密；μ1和μ2分别代表相互作用的两个相互作用转子磁场的谐波次数，与μ同含义；当μ1和μ2相等时，用μ代替。
整理电磁力特征参数如表1所示，表1为转子磁场相互作用产生的径向力波特征参数表。
表1
其中n为电机的转速，p为电机的极对数。
1.4推导定转子磁场相互作用产生电磁力波特征参数，来源为下式和表2定转子磁场相互作用产生径向力波的特征参数表。
平均磁导调制的定转子磁场相互作用引起的电磁力波：
为平均磁导调制的转子磁场气隙磁密，为平均磁导调制的定子磁场气隙磁密；
平均磁导调制的转子磁场和定子开槽磁场调制的定子磁场相互作用产生的电磁力波：
为开槽磁导调制的定子磁场气隙磁密；
定子开槽调制产生的转子磁场和平均磁导调制定子磁场相互作用产生的电磁力波：
为开槽磁导调制的转子磁场气隙磁密；
定子开槽磁导调制产生的定转子磁场相互作用产生的电磁力波：
整理电磁力波特征参数如表2所示，表2为定转子磁场相互作用产生径向力波的特征参数表.
表2
1.5推导定子磁场相互作用产生电磁力波特征参数，来源为下式和表3定子磁场相互作用产生径向力波的主要频率分量及其谐波来源表。
平均磁导调制的定子磁场相互作用产生的电磁力波：
为平均磁导调制的定子磁场气隙磁密，v1和v2分别是定子磁场不同次谐波次数；
平均磁导调试的定子磁场和定子开槽磁导调制的定子磁场相互作用产生的电磁力波：
定子开槽磁导调制的定子磁场相互作用产生的电磁力波：
其中为平均磁导调制的定子磁场气隙磁密，为开槽磁导调制的定子磁场气隙磁密；v1和v2分别代表相互作用的两个相互作用定子电枢磁场的谐波次数，与v同含义；当v1和v2相等时，用v代替。
整理电磁力波特征参数如表3所示，表3为定转子磁场相互作用产生径向力波的特征参数表
表3
其中n为电机的转速，p为电机的极对数。
步骤2、建立PMSM多物理场耦合振动分析有限元模型并计算其宽范围调速下振动噪声频谱特性。
2.1在Maxwell有限元仿真软件中以永磁同步电机具体结构参数建立永磁同步电机2D电磁有限元模型，如图2所示。
2.2在SolidWorks设计软件中以永磁同步电机具体结构参数建立永磁同步电机3D定子结构模型，如图3所示。
2.3在Workbench有限元仿真软件中设置永磁同步电机材料参数，对永磁同步电机进行模态分析，模态分析得到电机定子结构的固有频率和振型(见图4)，其中对本文样机来说，n＝0阶和n＝8阶固有频率是有效模态，当电机径向力波的阶数和频率和固有频率一致时，电机可能会发生共振，引起比较大的振动噪声。
2.4在Workbench有限元仿真软件中设置永磁同步电机材料参数，建立如图5所示的永磁同步电机电磁场和结构场强耦合模型，进行电磁场与结构场耦合仿真分析，计算其宽范围调速下振动噪声频谱特性，计算结果如图6所示，在12f与固有频率处产生最大的振动噪声。
步骤3、理论分析样机的主要振动噪声源。
3.1理论分析样机的主要振动噪声源。
以平均磁导调制的转子磁场相互作用的电磁力为例，μ1和μ2都为1，3，5，7，9...次转子场谐波，v1和v2为1，5，7，11，13...次定子电枢谐波，p为极对数4，z为电机槽数48。由前文分析可知引起永磁同步电机电磁振动噪声的力波阶数为0阶。当r＝0时，利用谐波次数推算，当μ1＝11，μ2＝1时，(μ1+μ2)*p-z＝0，及基波和11次谐波可以使得r＝0，并且当r＝0时，力波频率为12f。根据推算得到表4，表4为48槽8极电机转子磁场相互作用0阶力波来源表。同理可推导出表5内容，表5为48槽8极电机定转子磁场相互作用0阶力波来源表。
表4
表5
分析表4(48槽8极电机转子磁场相互作用0阶力波来源表)，表5(48槽8极电机定转子磁场相互作用0阶力波来源表)，引起样机振动噪声的0阶力波12f频率分量主要来基波和一阶齿谐波相互作用，而0阶力波24f频率分量主要来二阶齿谐波相互作用。
步骤4、实验与理论和仿真进行验证。
4.1利用振动传感器和噪声仪对所研究永磁同步电机进行振动噪声实验，实验振动噪声频谱图如图7、图8所示，横轴代表转速，纵轴代表频率，图7中颜色越深代表振动越强，图8中颜色越浅代表噪声越大。
4.2利用实验数据对比仿真数据和理论推导，进行验证。对比分析表4、5以及仿真结果，实验结果如图7、8，48槽8极电动汽车IPMSM的主要振动噪声源是基波和一阶齿谐波的相互作用引起的0阶力波的12f频谱分量。
Claims (3)
1.一种电动汽车永磁同步电机宽范围调速振动噪声源分析方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)理论分析了永磁同步电机电磁力波特征参数和各阶力波的谐波来源，特征参数包括力波阶数r，力波频率fr和力波幅值Peak-r/fr；
2)建立永磁同步电机电磁场和结构场强耦合模型，进行电磁场与结构场耦合仿真分析，计算其宽范围调速下振动噪声频谱特性；
3)针对所研究永磁同步电机对象，根据步骤1)进行特征参数和各阶力波的谐波来源分析，理论推导所研究永磁同步电机对象的主要振动噪声源；
4)对所研究永磁同步电机对象进行实验测试，得到实验数据，利用实验数据对比仿真数据和理论推导，进行验证步骤3)振动噪声源结论。
2.根据权利要求1所述电动汽车永磁同步电机宽范围调速振动噪声源分析方法，其特征在于，所述步骤1)具体步骤如下：
1.1)推导永磁同步电机气隙磁场，不考虑铁芯磁阻和饱和的影响，正弦电流供电时气隙磁密的表达式为：
其中，fμ(θ，t)＝Fμcos(μpθ-μωt)为μ次转子永磁体谐波磁动势，μ＝1，3，5...，p为电机极对数；ω为基波磁势角频率；Fμ为转子永磁体μ次谐波磁动势幅值，θ为电机机械角度；
fν(θ，t)＝Fvcos(νpθ-ωt-φv)为定子v次谐波磁动势，v＝1，5，7，；Fv为转子永磁体μ次谐波磁动势幅值，φv为v次定子电枢谐波初相位；
为气隙磁导函数；式中Λ0为气隙磁导函数的恒定分量，Λk为气隙磁导的谐波分量，k＝1，2，3...为气隙磁导谐波次数，z为定子槽数；为平均磁导调制产生的转子磁场在气隙中的磁密，为开槽磁导调制产生的转子磁场在气隙中的磁密；为平均磁导调制产生的定子磁场在气隙中的磁密，为开槽磁导调制产生的定子磁场在气隙中的磁密；Bpm为平均磁导调制产生的转子磁场在气隙中的磁密与开槽磁导调制产生的转子磁场在气隙中的磁密之和，Bs为平均磁导调制产生的定子磁场在气隙中的磁密与开槽磁导调制产生的定子磁场在气隙中的磁密之和；
1.2)按照麦克斯韦应力张量法并忽略切向磁通密度，单位面积上径向电磁力波的瞬时值表达式为：
pr(θ，t)是定子内表面单位面积上的径向电磁力密度，单位为N/m2；b(θ，t)为气隙磁密，μ0＝4π×10-7H/m为真空磁导率；ppm为转子磁场相互作用产生的电磁力密度，ps为定子磁场相互作用产生的电磁力密度，ppm-s为定转子磁场互相作用产生的电磁力密度；
1.3)推导转子磁场相互作用产生电磁力密度特征参数，
转子磁场相互作用产生的电磁力密度ppm为：平均磁导调制的转子磁场相互作用产生的电磁力波平均磁导调制的转子磁场和定子开槽磁导调制的转子磁场相互作用产生的电磁力波定子开槽磁导调制的转子磁场相互作用产生的电磁力波之和；
整理电磁力特征参数如表1所示，
表1
其中n为电机的转速，p为电机的极对数；为平均磁导调制的转子磁场气隙磁密；为开槽磁导调制的转子磁场气隙磁密；μ1和μ2分别代表相互作用的两个相互作用转子磁场的谐波次数，与μ同含义；当μ1和μ2相等时，用μ代替；
1.4)推导定转子磁场相互作用产生电磁力波特征参数，
定转子磁场互相作用产生的电磁力密度ppm-s为：平均磁导调制的定转子磁场相互作用引起的电磁力波平均磁导调制的转子磁场和定子开槽磁场调制的定子磁场相互作用产生的电磁力波定子开槽调制产生的转子磁场和平均磁导调制定子磁场相互作用产生的电磁力波定子开槽磁导调制产生的定转子磁场相互作用产生的电磁力波之和；
整理电磁力波特征参数如表2所示定转子磁场相互作用产生径向力波的特征参数表，
表2
1.5)推导定子磁场相互作用产生电磁力波特征参数，
定子磁场相互作用产生的电磁力密度ps为：平均磁导调制的定子磁场相互作用产生的电磁力波平均磁导调试的定子磁场和定子开槽磁导调制的定子磁场相互作用产生的电磁力波定子开槽磁导调制的定子磁场相互作用产生的电磁力波之和；
整理电磁力波特征参数如表3所示定转子磁场相互作用产生径向力波的特征参数表，
表3
其中为平均磁导调制的定子磁场气隙磁密，为开槽磁导调制的定子磁场气隙磁密；v1和v2分别代表相互作用的两个相互作用定子电枢磁场的谐波次数，与v同含义；当v1和v2相等时，用v代替。
3.根据权利要求1所述电动汽车永磁同步电机宽范围调速振动噪声源分析方法，其特征在于，所述步骤2)具体步骤如下：
2.1)在Maxwell有限元仿真软件中以永磁同步电机具体结构参数建立永磁同步电机2D电磁有限元模型；
2.2)在SolidWorks设计软件中以永磁同步电机具体结构参数建立永磁同步电机3D定子结构模型；
2.3)在Workbench有限元仿真软件中设置永磁同步电机材料参数，对永磁同步电机进行模态分析，模态分析得到电机定子结构的固有频率和振型；
2.4)在Workbench有限元仿真软件中设置永磁同步电机材料参数，建立永磁同步电机电磁场和结构场强耦合模型，进行电磁场与结构场耦合仿真分析，计算其宽范围调速下振动噪声频谱特性。
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