CN113364172B - 一种减小内置式永磁电机噪声的转子辅助槽优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减小内置式永磁电机振动噪声的转子辅助槽优化设计方法，具体包括根据实际设计要求确定内置式电机的尺寸，本说明书中内置式电机采用单层V型内嵌结构；转子表面采用双辅助槽结构，并利用多目标优化算法对双辅助槽结构进行优化处理。本发明利用转子辅助槽结构对气隙磁密分布进行局部调整，可显著降低气隙磁密中对振动噪声起主要作用的谐波含量，进而改善气隙磁场中的电磁力谐波含量；再结合多目标骨干粒子群算法选取最优的辅助槽结构和位置点，获得最优的电磁力分布情况，明显改善内置式永磁电机在多工况、宽速域运行过程中的振动噪声情况，从而提升电机运行的稳定性。

Description

一种减小内置式永磁电机噪声的转子辅助槽优化设计方法
技术领域
本发明涉及到一种减小内置式永磁电机振动噪声的转子辅助槽优化设计方法，属于新型高品质永磁电机制造的技术领域。
背景技术
内置式永磁同步电机具有高功率密度、高转子强度、宽弱磁调速能力、低永磁体涡流损耗以及高效率等特点，广泛应用在新能源汽车生产领域。随着市场对于新能源汽车的需求持续上升，内置式永磁电机的高品质要求也进一步提高。噪声污染是环境污染的一种，已经成为对人体健康的一大危害，因此新能源车用电机的低振噪要求也越来越高。降低由电机产生的电磁振噪，对于降低整车的振动噪声极具意义，能有效提升驾车运行中的舒适感，提升用户的使用感受。
目前应用在电机多目标优化的方法主要是转换法和等效为极值问题方法，其中后者和优化算法相结合应用十分广泛。常用的优化算法有遗传算法、模拟退火算法、田口法以及粒子群算法等。粒子群算法从鸟群捕食行为中提取灵感，往往是从一个随机解出发，通过不断迭代搜索的方法搜寻到最优值。该方法原理简单，没有过多的参数需要调整，计算速度快，在电机设计领域提供了一种省时省力的优化新方法。此前，多目标粒子群算法在电机设计领域多用于优化转矩脉动、提升平均转矩，但是并未利用在优化电机振动噪声方面。
现有的永磁电机低振动噪声设计方法主要都是优化气隙磁场，使得气隙磁密波形更加正弦，从而优化各阶次磁密谐波分布达到改善转矩脉动，改善振动噪声的目标。但是这些方法对于优化永磁电机振动噪声不具备针对性，因此除了降低噪声以外，对电机平均转矩也有较大牺牲。
文献Asymmetric Rotor Design of IPMSM for Vibration Reduction UnderCertain Load Condition[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,vol.35,no.2,pp.928-937,June 2020.介绍了一种不对称内置式转子结构，虽然这种结构可以优化气隙磁密的正弦度，降低转矩脉动，从而优化特定阶次的径向电磁力谐波分量。但是该设计的鲁棒性较差，对于加工精度要求很高。此外，该方法还会增加电磁力谐波中的最低阶分量，在某些程度上可能会恶化振动噪声情况。
中国发明专利申请号CN201821765157.3公开了一种低振动永磁电机的转子结构，该发明采用内置式转子铁心偏心结构进行噪声优化，在优化气隙磁密的同时还可以抑制转矩脉动。但是该方法会牺牲平均转矩，且若是应用在分数槽内置式永磁电机中甚至会恶化振动情况。因此，该方法的普适性较差。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提出了一种减小内置式永磁电机振动噪声的转子辅助槽优化设计方法。该方法易于加工，操作简单，降低振动噪声效果显著，且能够降低永磁电机的转矩脉动，在新能源汽车驱动领域具有较好的应用前景。
具体地说，本发明是采用以下的技术方案来实现的：
一种减小内置式永磁电机振动噪声的转子辅助槽优化设计方法，具体步骤如下：
步骤1，首先根据电机多运行工况的需求，确定电机的槽极配合72槽12极、绕组连接方式采用星形连接整数槽分布绕组方案以及单层V型内置式的永磁体结构；
步骤2，根据电机的功率尺寸方程和装配要求，确定电机的详细尺寸参数，通过有限元软件对电机的多运行工况进行电磁模型建立，验证各工况下仿真性能是否满足实际需求；
步骤3，对目标电机进行三维建模，充分考虑电机的实际装配体组成部件以及各部件之间的接触面设置情况，并对电机进行模态分析，得到各阶次模态频率的具体数值，其中二阶模态频率为2531Hz，三阶模态频率为629.9Hz，四阶模态频率为1279.8Hz；
步骤4，将多工况下的电机模型进行电磁分析，并对气隙中的径向电磁力进行谐波分析，预测会对振动噪声产生重要影响的径向电磁力谐波分量；
步骤5，得出各工况下的径向电磁力分布后，分别将各个工况下的径向电磁力数据进行采集，同时将模态数据和径向电磁力数据导入到声学边界元软件，将径向电磁力加载至电机定子齿表面，仿真后可得到电机全速域运行下的声功率瀑布图；
步骤6，对声功率瀑布图进行分析，筛选其中声功率级较大的频率分量，分析其径向力谐波来源，并设置为优化目标；
步骤7，优化变量为转子两对辅助槽的全部变量参数，利用多目标优化算法进行参数寻优，最终获得最优的辅助槽参数，使得电机全速域运行的振动噪声情况达到最优。
进一步，所述步骤6中，本电机噪声实测中，8倍频和12倍频噪声在声功率瀑布图中非常明显，将这两个主要径向电磁力谐波分量设置为最终优化目标，此外，结合电机的低转矩脉动需求，转矩脉动也设置为最终优化目标。
进一步，所述步骤7中，本电机噪声实测中选取的运行工况点为额定工况点，所分析的目标数据为额定工况点处的径向电磁力谐波幅值以及额定转矩脉动情况。
进一步，所述步骤7中，两对转子辅助槽中共有8个优化变量，这8个变量主要是关于转子辅助槽的设计变量，其中每个转子辅助有4个变量，分别是定位点角度、槽口左右偏移角度以及槽口深度。
进一步，所述步骤7中，多目标优化方法步骤如下：
7.1)对优化变量设计初值与其变化范围进行选定；
7.2)对优化参数的灵敏度进行进一步分析，筛选出对径向电磁力谐波以及转矩脉动影响较大的高敏感参数进行进一步优化分析；
7.3)建立高敏感参数的样本点组合选取，并进行有限元仿真计算，利用中心试验设计方法建立的响应拟合曲面，明确高敏参数最优的取值点范围；
7.4)在拟合曲面模型建立的基础上，对于灵敏度较大的一些参数采用多目标骨干粒子群算法进行智能寻优，得到最优解集后进行目标筛选。其中，多目标骨干粒子群算法具体步骤包括：
初始化粒子位置，一般皆为随机生成均匀分布；
计算适应度值，一般皆为目标函数-优化对象；
初始化历史最优为其本身和找出全局最优；
根据位置和速度公式进行位置和速度的更新；
重新计算适应度；
根据适应度更新历史最优和全局最优；
收敛或者达到最大迭代次数则退出算法；
最后选出最合适的目标解后进行有限元验证，得到目标径向电磁力谐波幅值以及转矩脉动情况，验证结果的准确性；
7.5)步骤7.4)得到的优化结果与初始结构下的目标值进行对比，分析优化效果情况，并进行振动噪声仿真测试，对比优化前后振动噪声情况的改善程度。若效果优异，则将各优化变量值定为最终优化方案。
进一步，本电机外层为电机机壳(6)，机壳与定子铁心(7)相连，绕组(5)分布绕线在定子齿部，转子铁心(8)和定子铁心(7)之间存在气隙，转子铁心内内嵌有磁钢(4)；此外，转轴部件(10)通过轴承(9)与前端盖(11)相连接，确保结构的稳定性；电枢绕组采用双层短距分布绕组形式，绕组跨距为5，永磁体材料为N42UH，磁钢采用单层V型内置式结构，夹角为155度；定子铁心和转子铁心的材料均为武钢DW310-35，机壳、转轴及端盖采用铝合金材料。
步骤1中，本实例目标电机的槽极配合为60槽10极；绕组连接方式为双层分布式绕组连接方法，跨距为5；转子采用单层V型磁钢，磁钢夹角为155度；
步骤2中，空载工况的运行实际情况为转速3000r/min，此时电机的运行工况可视为开绕组运行；负载工况下电机的实际运行转速为3000r/min，此时的电机每相绕组通入70A电流，输入电流超前空载反电势角度为30度，此时电机可产生稳定的输出转矩，转矩成分中包含永磁转矩和磁阻转矩；高速弱磁工况下电机的实际运行转速为8000r/min，此时的电机每相绕组通入70A电流，输入电流超前空载反电势角度为78度，此时电机工作在去磁状态。以上三种工况为本实例电机运行的实际工况，其运行结果具有主要参考价值，并和设计要求进行对比分析；
步骤3中，采用有限元软件对电机整机结构进行模态分析，其中为了保证分析结果的准确性，模态分析点数为30个分析点，可将各阶模态分析结果准确得到。根据电机的实际装配结构，固定约束加载至电机端盖螺栓处；
步骤4中，导出的电磁力傅里叶分析结果为512*128的电磁力二维数据矩阵，包含时间和空间的谐波分量。全局速域的仿真方式为1000r/min至8000r/min中选取12个转速点，分别设置其输入电流和电流角变量，将仿真出来的电磁力数据导入至声学边界元软件进行振动噪声的瀑布图分析。为了保证仿真结果的精度，采用插值法对瀑布图进行细化处理。
步骤5中，两对转子辅助槽的全部优化变量共计8组，本实例电机中对振动噪声影响较大的是8倍频振动分量和12倍频振动分量。
步骤6中，多目标优化的具体步骤为：
1、对优化变量进行灵敏度分析，筛选出其中灵敏度较大的优化变量进行进一步的分析计算；
2、基于Box-Benhnken方法进行样本点计算分析，得出优化变量和优化目标的定量关系方程；
3、根据高敏优化变量和优化目标之间的关系方程进行响应面生成，分析收集响应面中的极值点；
4、对响应面模型进行多目标寻优求解，从生成的帕累托解集中选择满足要求的解集，并进行有限元分析验证，从而确定优化结果的准确性。
本发明具有以下收益效果：
1、本发明中内置式永磁电机经过转子表面两对最优化辅助槽设计后，电机全速域下的振动噪声情况明显降低；
2、本发明主要是为了降低了振动噪声，但是多目标设计中包含转矩脉动，因此在优化振动噪声的同时兼顾了电磁性能的改善；
3、本发明采用的优化对方法加工精度要求不高，鲁棒性高，易于实现且效果显著，具有较大的参考意义。
综上，本发明的一种减小内置式永磁电机振动噪声的转子辅助槽优化设计方法，该方法采取了异于常规的降低电机振动噪声方式，优化噪声的同时兼顾电磁性能的改善，且转矩损失小，加工简便，可复制性高，效果显著。
附图说明
图1为本发明内置式永磁电机整机结构示意图；(a)为转子结构图；(b)为整机结构图；
图2为本发明转子辅助槽结构各优化变量参数图；
图3为本发明初始结构和优化实施例电机的径向电磁力谐波对比图；
图4为本发明初始结构和优化实施例电机的表面振动声功率级瀑布图；(a)为初始结构声压级瀑布图；(b)为优化后结构的声压级瀑布图；
图5为本发明初始结构和优化实施例电机负载转矩对比图；
图6为本发明多目标优化设计流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图表及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。为了能够更加简单明了地说明本发明的有益效果，下面结合一个具体的内置式永磁同步电机来进行详细的描述。
步骤1，首先根据电机多运行工况的需求，确定电机的槽极配合、绕组连接方式和转子结构，即整数槽分布绕组方案和单层V型内置式的永磁体结构；
确定实施例电机的主要结构参数，如表1所示；
表1实施例电机的主要结构参数
Figure GDA0003846722660000051
Figure GDA0003846722660000061
步骤2，确认电机主要尺寸参数后，利用有限元软件进行建模仿真，仿真工况包括空载工况，额定工况和高速弱磁工况。其中空载工况转速为2500r/min，开绕组状态；额定工况为2500r/min，转矩为250Nm，电流角大小为30度；高速弱磁工况为8000r/min，转矩为100Nm，电流角大小为70度；
步骤3，对电机进行三维建模，充分考虑电机的实际装配体组成部件以及各部件之间的接触面设置情况，并对电机进行模态分析，得到各阶次模态频率的具体数值；进行机壳及其余装配件的设计，如端盖、轴承、转轴、螺栓等主要部件。设计完成后的电机整机模型如图1所示，图中：1、转子辅助槽I，2、转子辅助槽II，3、永磁体槽，4、永磁磁钢，5、电枢绕组，6、电机机壳，7、定子铁心，8、转子铁心，9、机壳螺栓，10、转轴，11、前端盖。具体的位置关系如图1中的(b)所示，电机外层为电机机壳6，机壳与定子铁心7相连，绕组5分布绕线在定子齿部，转子铁心8和定子铁心7之间存在1毫米气隙，转子铁心内内嵌有磁钢4。此外，转轴部件10与前端盖11相连接，螺栓9嵌在端盖11与机壳6之间，确保结构的稳定性。
步骤4，进行多工况下的电磁性能分析，将仿真得到的多工况下径向电磁力数据结合三维建模后仿真得到的模态结果一起导入到声学边界元软件，得到声功率瀑布图，从瀑布图中筛选出振动噪声最明显的分量；本实例电机噪声实测中，8倍频和12倍频噪声在声功率瀑布图中非常明显，因此这两个主要径向电磁力谐波分量设置为最终优化目标。此外，结合电机的低转矩脉动需求，转矩脉动也设置为最终优化目标。
步骤5，将声压级较大的振动噪声频率分量进行来源分析，分析对其起到主要作用的电磁力谐波分量，设置为优化目标，并结合电机转矩脉动优化的需求，增设转矩脉动为优化目标；
步骤6，将转子辅助槽的8组优化变量设置为优化目标，如图2所示，图中：
A表示辅助槽I中心定位点相对永磁体中心位置偏移角度，单位为°；
B表示辅助槽I深度，单位为mm；
C表示辅助槽I内定位点相对辅助槽中心定位点偏移角度，单位为°；
D表示辅助槽I外定位点相对辅助槽中心定位点偏移角度，单位为°；
E表示辅助槽II中心定位点相对永磁体中心位置偏移角度，单位为°；
F表示辅助槽II深度，单位为mm；
G表示辅助槽II内定位点相对辅助槽中心定位点偏移角度，单位为°；
H表示辅助槽II外定位点相对辅助槽中心定位点偏移角度，单位为°；
步骤7，综合考虑三个优化目标，采用权重系数对各变量进行评价。引入综合灵敏度指标，分别对三个优化赋予权重系数。其中，削弱振动噪声为首要目标，因此8倍频和12倍频径向电磁力的权重系数高一些，各为0.4；转矩脉动的权重系数为0.2，他们的总和为1；
表2优化变量灵敏度指标分析
Figure GDA0003846722660000071
根据表2中的数据可以看出，变量A、变量C、变量E为高敏参数，需要对高敏参数进行进一步分析；
步骤8，基于Box-Benhnken方法进行样本点计算分析，针对三个高敏参数进行采样计算，Box-Benhnken采样点如表3所示；
表3Box-Benhnken所需采样点
Figure GDA0003846722660000072
Figure GDA0003846722660000081
步骤9，Box-Benhnken采样点确立后，进行结果计算，在电机的额定工况点处计算各采样点处的优化目标值，如表4所示，并得出响应面拟合方程；
表4额定工况点测试结果
运行次数 8倍频径向力 12倍频径向力 转矩脉动
1 1.8996 1.8732 100.596
2 1.5595 2.3533 97.6644
3 4.0484 5.5368 165.264
4 5.0043 5.196 159.531
5 2.8601 2.5139 99.7325
6 2.3316 2.4052 81.1816
7 5.1535 3.5209 104.663
8 1.8996 1.8732 100.596
9 4.5377 3.8456 95.5034
10 1.8996 1.8732 100.596
11 4.72 4.6522 109.69
12 1.8996 1.8732 100.596
13 1.8996 1.8732 100.596
14 4.3382 5.3213 158.474
15 4.8513 3.8775 69.0745
16 2.0409 2.8837 124.223
17 4.2289 4.759 154.419
响应面拟合方程：
Fr_8f＝63.91-12.41*x(1)+0.02*x(2)-1.92*x(3)-0.05*x(1)*x(2)+0.07*x(1)*x(3)-0.02*x(2)*x(3)+0.64*x(1)*x(1)+0.11*x(2)*x(2)+0.27*x(3)*x(3)；
Fr_12f＝62.85-11.45*x(1)-3.38*x(2)-4.10*x(3)+0.13*x(1)*x(2)+0.10*x(1)*x(3)+0.21*x(2)*x(3)+0.60*x(1)*x(1)+0.78*x(2)*x(2)+0.47*x(3)*x(3)；
FTr＝＝648.41-117.49*x(1)-12.37*x(2)-45.84*x(3)+7.62*x(1)*x(2)-0.09*x(1)*x(3)+4.00*x(2)*x(3)+6.61*x(1)*x(1)-30.63*x(2)*x(2)+7.76*x(3)*x(3)；
步骤10，首先对所取样本点计算结果进行粗略分析，可以看出随着运行次数不通过，三类优化目标的输出结果的变化趋势；再利用回归分析，可以得出优化目标的回归拟合曲线，进一步，利用多目标骨干粒子群算法进行智能寻优，筛选出最合适的目标解集，并代入有限元进行验证分析，优化前后的结果对比如表5所示；
表5优化前后的结果对比
参数 优化前数值 优化后数值
A 7 8.79
B 1 1
C 1 1.8
D 1 1
E 3 2.66
F 1 0.7
G 1 0.7
H 1 0.7
8倍频径向力(N/cm<sup>2</sup>) 4.28 2.23
12倍频径向力(N/cm<sup>2</sup>) 4.22 1.92
转矩脉动率(％) 25.4 16.4
图3为本发明初始结构和优化实施例结构在负载工况下的径向气隙磁密谐波比较图，根据图中内容可以看出，对8倍频径向力谐波组成起主要作用的35阶和45阶径向磁密谐波幅值在采用两对辅助槽后均有下降，对12倍频径向力谐波组成起主要作用的55阶和65阶径向磁密谐波幅值亦均有下降，且效果明显。故可判断，在采用两对转子辅助槽后，电机的振动噪声优化效果显著；
图4为本发明初始结构和优化实施例结构的表面声功率瀑布图比较图。从图中可以看出，在全速域范围内，优化后8倍频和12倍频处的噪声有明显的改善，此外，其余频率处的噪声也有不同程度的优化；
图5为本发明初始结构和优化实施例结构转矩脉动对比图。该结果利用有限元仿真生成，采用双转子辅助槽结构之后，转矩脉动从原先的24.5％降低至16.4％，转矩脉动相比初始结构降低了35％。此外，平均转矩几乎没有变化，这证明了该优化方法的可靠性与实用性；
图6为本发明整体设计流程图，图中体现了各步骤之间的相互联系；
综上，本发明的一种减小内置式永磁电机振动噪声的转子辅助槽优化设计方法，可以为内置式永磁电机抑制振动噪声、提高电磁性能提供参考研究。虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，均属于本申请所附权利要求所限定的保护范围。

Claims (3)

1.一种减小内置式永磁电机振动噪声的转子辅助槽优化设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，首先根据电机多运行工况的需求，确定电机的槽极配合、绕组连接方式采用星形连接整数槽分布绕组方案以及单层V型内置式的永磁体结构；
步骤2，根据电机的功率尺寸方程和装配要求，确定电机的详细尺寸参数，通过有限元软件对电机的空载工况，额定工况和高速弱磁工况进行电磁模型建立，验证各工况下仿真性能是否满足实际需求；
步骤3，对目标电机进行三维建模，充分考虑电机的实际装配体组成部件以及各部件之间的接触面设置情况，并对电机进行模态分析，得到各阶次模态频率的具体数值；
步骤4，将多工况下的电机模型进行电磁分析，并对气隙中的径向电磁力进行谐波分析，预测会对振动噪声产生重要影响的径向电磁力谐波分量；
步骤5，得出各工况下的径向电磁力分布后，分别将各个工况下的径向电磁力数据进行采集，同时将模态数据和径向电磁力数据导入到声学边界元软件，将径向电磁力加载至电机定子齿表面，仿真后可得到电机全速域运行下的声功率瀑布图；
步骤6，对声功率瀑布图进行分析，筛选其中声功率级较大的频率分量，分析其径向力谐波来源，并设置为优化目标；
步骤7，优化变量为转子两对辅助槽的全部变量参数，利用多目标优化算法进行参数寻优，最终获得最优的辅助槽参数，使得电机全速域运行的振动噪声情况达到最优；
所述步骤6中，8倍频和12倍频噪声的径向电磁力谐波分量设置为最终优化目标，转矩脉动也设置为最终优化目标；
所述步骤7中，两对转子辅助槽中共有8个优化变量，这8个优化变量是关于转子辅助槽的设计变量，其中每个转子辅助有4个变量，分别是定位点角度、槽口左右偏移角度以及槽口深度；
所述步骤7中，多目标优化方法步骤如下：
7.1)对优化变量设计初值与其变化范围进行选定；
7.2)对优化参数的灵敏度进行进一步分析，筛选出对径向电磁力谐波以及转矩脉动影响较大的高敏感参数进行进一步优化分析；
7.3)建立高敏感参数的样本点组合选取，并进行有限元仿真计算，利用中心试验设计方法建立的响应拟合曲面，明确高敏参数最优的取值点范围；
7.4)在拟合曲面模型建立的基础上，对于灵敏度较大的一些参数采用多目标骨干粒子群算法进行智能寻优，得到最优解集后进行目标筛选，其中，多目标骨干粒子群算法具体步骤包括：
初始化粒子位置，皆为随机生成均匀分布；
计算适应度值，皆为目标函数-优化对象；
初始化历史最优为其本身和找出全局最优；
根据位置和速度公式进行位置和速度的更新；
重新计算适应度；
根据适应度更新历史最优和全局最优；
收敛或者达到最大迭代次数则结束计算；
最后选出最合适的目标解后进行有限元验证，得到目标径向电磁力谐波幅值以及转矩脉动情况，验证结果的准确性；
7.5)步骤7.4)得到的优化结果与初始结构下的目标值进行对比，分析优化效果情况，并进行振动噪声仿真测试，对比优化前后振动噪声情况的改善程度，若效果优异，则将各优化变量值定为最终优化方案。
2.根据权利要求1所述的一种减小内置式永磁电机振动噪声的转子辅助槽优化设计方法，其特征在于，所述步骤7中，本电机噪声实测中选取的运行工况点为额定工况点，所分析的目标数据为额定工况点处的径向电磁力谐波幅值以及额定转矩脉动情况。
3.根据权利要求1所述的一种减小内置式永磁电机振动噪声的转子辅助槽优化设计方法，其特征在于，本电机外层为电机机壳(6)，机壳与定子铁心(7)相连，绕组(5)分布绕线在定子齿部，转子铁心(8)和定子铁心(7)之间存在气隙，转子铁心内嵌有磁钢(4)；此外，转轴部件(10)通过轴承(9)与前端盖(11)相连接，确保结构的稳定性；电枢绕组采用双层短距分布绕组形式，绕组跨距为5，永磁体材料为N42UH，定子铁心和转子铁心的材料均为武钢DW310-35，机壳、转轴及端盖采用铝合金材料。
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