乘用車異步電機電磁噪聲研究
曾群
Research for Electromagnetic Noise of EV Driving Induction Motor
Zeng Qun
ABSTRACT: Designs with high torque, wide speed range and light weight are pursued by motor designers for electric vehicle (EV) drives. Such designs have resulted in a wide frequency band of the normal electromagnetic force acting on stators and rotors of motors. The maximum frequencies of the electromagnetic forces are likely to be close to or higher than the corresponding modal frequencies of the motor structure, which will produce big electromagnetic noise. A slot combination selection method was analyzed for the suppression of electromagnetic noise produced by EV driving induction motors. The orders and maximum frequencies of the possibly existed electromagnetic forces were predicted for different slot combinations. The normal modal frequencies of the motor structure were computed by the finite element method. The maximum frequencies of the electromagnetic forces were compared with the modal frequencies of the motor structure at the speed range of EV driving induction motors. In the condition of enough torque, the slot combination, whose maximum frequencies of electromagnetic forces are lower than far from the corresponding modal frequencies of the motor structure, is chosen.
KEY WORDS: slot combination; electromagnetic noise; induction motor; electric vehicle
摘要：電動汽車驅(qū)動用電機追求高出力、寬調(diào)速和輕量化的 設計方案，導致作用于電機定轉(zhuǎn)子鐵心上的徑向電磁力波頻帶較寬，各次電磁力波 頻率接近或高于電機結(jié)構(gòu)相應各 階模態(tài)頻率的可能性大，容易引發(fā)較大的電磁噪聲。該文研 究了有利于車用異步電機電磁噪聲抑制的槽配合選擇方法。
預測車用異步電機不同槽配合可能存在的電磁力波次數(shù)及其 頻率，采用有限元法計算電機結(jié)構(gòu)的各階徑向模態(tài)頻 率，對比車用異步電機調(diào)速范圍內(nèi)可能存在的各次電磁力波 頻率與電機結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，在保證滿足電機力能指標的前提下選擇各次電磁力波 頻率低于并遠離電機結(jié)構(gòu)相應各階徑向模態(tài)頻率的槽配合。
關鍵詞：槽配合;電磁噪聲;異步電機;電動汽車
0 引言
電機運行時定轉(zhuǎn)子基波磁場和各次諧波磁場的互相作用，在定轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面產(chǎn)生隨時間和空間變化的低次徑向電磁力波是產(chǎn)生電磁噪聲的主要來源。槽配合的選擇決定了電機運行時可能存在的電磁力波次數(shù)和力波頻率，選擇適當?shù)牟叟浜嫌兄诮档彤惒诫姍C的電磁噪聲。為滿足電動汽車的爬坡和巡航能力，提高電動汽車的市場競爭力，電動汽車驅(qū)動用電機極力追求高出力、寬調(diào)速和輕量化的設計方案，電機的調(diào)速范圍大，調(diào)速比( 轉(zhuǎn)速/基速)最大可達 4~5，導致電磁力波的頻帶較寬，各次電磁力波的 頻率接近或高于電機結(jié)構(gòu)相應各階模態(tài)頻率的可能性大，在電機調(diào)速范圍內(nèi)引發(fā)較大電磁噪聲的可能性較大。為有效抑制電磁噪聲，必須保證電機調(diào)速范圍內(nèi)可能存在的各次電磁力波 頻率高于并遠離電機結(jié)構(gòu)相應各階模態(tài)頻率[8-9]。本文以定子 36 槽額定功率40 kW 的混合動力客車驅(qū)動用鼠籠異步電機的槽配合選擇為例，分析三種不同槽配合可能存在的電磁力波次數(shù)，通過對比分析各槽配合可能存在的各次電磁力波 頻率和電機結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)頻率，選擇有利于車用異步電機電磁噪聲抑制的槽配合。
1 電動汽車驅(qū)動用異步電機的槽配合選擇
1.1 槽配合的電磁力波次數(shù)表
鼠籠異步電機定轉(zhuǎn)子氣隙磁密可能存在的主要諧波次數(shù)如下：
μ = 2 mk1+1 (1)
λ = k2 S2 / p+1 (2)
式中： μ為定子諧波次數(shù); λ為轉(zhuǎn)子諧波次數(shù); m 為相數(shù); p 為極對數(shù); S2為轉(zhuǎn)子槽數(shù); k1、 k2為正整數(shù)。
定轉(zhuǎn)子磁密諧波互相作用產(chǎn)生的電磁力波次數(shù)為
n = (μ± λ) p (3)
式中 n 為電磁力波次數(shù)。
由式(2)可知，轉(zhuǎn)子諧波次數(shù)與轉(zhuǎn)子槽數(shù)有關，本文選擇 36/30、 36/44 和 36/34 3 種遠槽少槽、遠槽多槽和近槽 3 種槽配合進行對比分析。由式(1)~(3)可列出 40kW 異步電機 3 種槽配合可能存在的低次電磁力(低于 6 次)， 如表 1~3 所示。由表可知， 36/30和 36/34 槽配合均可能存在 2 次電磁力波，由于電磁力波次數(shù)較低，發(fā)生電磁共振時產(chǎn)生較大電磁噪聲可能性就較大。電磁力波的激振頻率計算公式如下：
f r= f1[kS2 / p (1- s)+ ] (4)
電機定轉(zhuǎn)子鐵心開槽引起的氣隙磁密齒諧波由于與基波繞組系數(shù)相同而難以通過短距繞組方式削弱，諧波磁密的幅值較大[11-12]。齒諧波次數(shù)為
γ = 1± kS / p (5)
式中： k 為正整數(shù); S 為定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)。 k=1 時對應的齒諧波為一階齒諧波，是使異步電機產(chǎn)生較大電磁噪聲的主要來源[13]。本文樣機為 4 極， 轉(zhuǎn)速為 6 000 r/min。由式(4)計算各槽配合的定轉(zhuǎn)子齒諧波所產(chǎn)生的各次電磁力波的 頻率如表 4 所示。
表 1 36/30 槽配合Tab. 1 36/30 slot combination
表 2 36/34 槽配合Tab. 2 36/34 slot combination
表 3 36/44 槽配合Tab. 3 36/44 slot combination
表4電磁力波 頻率Tab. 4 Max frequencies of electromagnetic force Hz
1.2 電機結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率
建立樣機結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型，計算樣機結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)頻率，樣機結(jié)構(gòu)有限元仿真模型與有限元網(wǎng)格剖分如圖1所示。
電機結(jié)構(gòu)2階和4階模態(tài)頻率的有限元仿真結(jié)果分別為1466、6350 Hz。模態(tài)振型的有限元仿真圖如圖 2 所示。
對比樣機2次、4次電磁力波的 頻率和電機結(jié)構(gòu)2階、4階模態(tài)頻率的有限元仿真結(jié)果可知，36/44槽配合4次電磁力波 頻率為4000Hz，低于并遠離電機結(jié)構(gòu)的4階模態(tài)頻率。36/30和36/34槽配合定、轉(zhuǎn)子一階齒諧波產(chǎn)生的2次電磁力波 頻率大于電機結(jié)構(gòu)的2階模態(tài)頻率，將在電機調(diào)速范圍內(nèi)發(fā)生電磁共振。由電機結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的有限元仿真結(jié)果和式(4)預測，36/30和 36/34 二種槽配合樣機空載運行時，2次電磁力波產(chǎn)生電磁共振的轉(zhuǎn)速工作點分別為36/30 槽配合—2587r/min，36/34 槽配合—2315和2587r/min。
1.3 噪聲測試
本文測試了36/30、36/34和36/44 三
種槽配合樣機的空載噪聲，為保證獲得清晰的噪聲頻譜，本文噪聲測試點距離電機機身30 cm，而不是鑒定性噪
圖 2 電機結(jié)構(gòu)模態(tài)振型的有限元仿真結(jié)果
聲實驗標準中的 1m。噪聲測試點背景噪聲最大值為44dB。與樣機空載噪聲測試結(jié)果最小值相差12.2 dB。噪聲測試值與背景噪聲的差值在 4~10 dB之間需要對測試結(jié)果進行修正，背景噪聲低于測試值10 dB以上不需作修正。3 種槽配合樣機的空載噪聲特性測試結(jié)果如圖 3 所示。
圖 3 三種槽配合樣機的空載噪聲特性測試結(jié)果
通過對樣機的空載噪聲測試發(fā)現(xiàn)，36/30和36/34槽配合樣機在2000~3000r/min 的速度范圍內(nèi)存在較大的嘯叫聲，對36/30和36/34 槽配合樣機噪聲最大轉(zhuǎn)速工作點2400和2600 r/min 的噪聲進行頻譜分析如圖4和圖5所示。由式(4)計算可得2 種槽配合樣機在2個轉(zhuǎn)速時2次電磁力波的頻率分別為1360和 1473.3Hz。與樣機空載噪聲頻譜中峰值聲壓對應的頻率基本一致。
頻率/kHz
圖 4 36/30 槽配合 2 400 r/min 空載噪聲頻譜
圖 5 36/34 槽配合 2 600 r/min 空載噪聲頻譜
1.4 槽配合選擇對異步電機力能特性的影響
雖然36/44 槽配合有利于本文樣機電磁噪聲的抑制，但遠槽配合異步電機的力能指標比近槽配合低，電動汽車對驅(qū)動電機的力能指表要求較高，因此選擇遠槽配合必須首先保證電機的力能指標滿足技術指標要求。本文36/44 槽配合的樣機力能指標滿足技術指標要求，如圖 6 所示為 36/44 槽配合樣機的實驗效率 Map 圖。因此本文樣機選擇 36/44 槽配合。
圖 6 36/44 槽配合樣機實驗效率圖
2 結(jié)論
異步電機的槽配合決定了電機運行時可能存在的電磁力波次數(shù)和力波頻率，電動汽車驅(qū)動用電機的調(diào)速范圍寬、力能指標要求高，電磁噪聲的抑制難度較大，本文以定子36槽車用異步電機的槽配合選擇為例研究了槽配合對車用異步電機電磁噪聲的影響，通過分析得出以下結(jié)論：為有效抑制車用異步電機的電磁噪聲，在電機設計過程中應首先分析各種槽配合可能存在的電磁力波次數(shù)并預測電機結(jié)構(gòu)各階徑向模態(tài)頻率，在保證力能指標要求的前提下盡量選擇各次電磁力波 頻率低于并遠離電機結(jié)構(gòu)相應徑向各階模態(tài)頻率的槽配合。
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