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基于电机定子与壳体过盈配合的噪声分析
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1前言

驱动电机是纯电动汽车的动力核心[1],当电机出现故障时其振动噪声会加剧,将严重影响整车舒适性[2]。电机定子与壳体多采用过盈配合连接,过盈配合对电机壳体强度影响很小,且具有结构简单、对中性好、可承受较大轴向力和扭矩等优点[3-4]。驱动电机的实际工作温度范围为-40~150℃,且有剧烈的振动,这对电机定子与壳体的实际过盈量有很大影响。为探明定子与壳体间过盈量对电机噪声的影响,以及电机噪声随温度变化趋势,本文以纯电动汽车驱动用48槽8极永磁同步电机为研究对象,采用阶次分析方法,通过对具有不同定子与壳体过盈量的电机和在不同温度下的电机进行了空载匀加速近场噪声测试分析,并给出了电机定子与壳体过盈量取值建议,以作为电机噪声优化的参考。

2阶次分析方法

电机升速与降速过程的噪声信号是非稳态信号,若对此信号直接利用快速傅氏变换FFT(FastFourierTransformation)进行频谱分析,则会产生“频率混叠”现象。若对电机升速或降速信号以电机轴转角为参考进行恒角度增量采样,则可将电机升速或降速过程的时域非稳态信号转化为角度域稳态信号,此时再进行FFT变换会可以避免“频率混叠”现象。等角度采样又称阶次采样或阶次追踪,是一种有效的非稳态信号分析方法。

为确定采集到的噪声信号与电机转速关系,在测试时需引入转速信号作为参考。首先对噪声信号和转速信号分两路以远高于奈奎斯特(Nyquist)采样频率的频率进行等时间间隔采样,然后根据转速信号估计转速发生时刻,再对此转速下对应的噪声信号进行插值重采样,从而得到近似稳态信号。

典型的阶次分析频谱图中,一种是以横轴为参考轴转速,纵轴为声压级,在图中同时显示总声压与各阶次声压曲线,可以定性地看出各阶次声压在某频率下对总声压的贡献情况;另一种阶次频谱图采用X坐标为噪声信号频率或者噪声信号频率与参考轴转动频率的比值,即阶次,Y轴代表声压级,Z轴代表参考轴转速或噪声采样时间,这种表示方法可以分析噪声在频域内的分布。阶次计算式为:

式中,O为阶次;f为各部频率,Hz;n为参考轴转速,r/min。

3电机噪声来源

3.1机械噪声

永磁同步电机中的机械噪声主要有电机转子不平衡引起的一阶振动噪声及电机的滚动轴承引起的噪声。滚动轴承尺寸和滚动体个数与其阶次噪声有直接关系,较常见的有轴承内、外圈的通过频率引起的阶次噪声。通过频率是滚珠通过轴承内滚道和外滚道时产生的冲击特征,外圈和内圈的通过频率计算式

式中,fouter、finner为轴承外圈和内圈通过频率;Nb为滚动体个数;fr为参考轴转动频率;Dc为轴承节径;β为接触角;Db为滚动体直径。

本文研究的永磁同步电机轴承滚珠为9个,因此内、外圈的通过频率分别为5.4阶和3.6阶。

3.2空气动力噪声

空气动力噪声一般由电机散热风扇等元件以及转子旋转形成的空气涡流噪声、风扇旋转使冷却空气周期性脉动或气体撞击障碍物而产生的单频噪声、风路中薄壁零件谐振或风路设计不合理产生的“笛声”[6]等构成。

电动汽车驱动用永磁同步电机采用水冷却或自然风冷却,因此不存在单频噪声和“笛声”,但存在转子旋转形成的空气涡流噪声。又因为永磁同步电机为闭式电机,空气涡流噪声不能轻易传递到电机外部,所以此噪声可以忽略不计。

3.3电磁噪声

电机气隙磁场作用于电机定子铁芯产生电磁力,电磁力引起定子铁芯的振动,进而引发电磁噪声。由于气隙磁密波的作用,在定子铁芯齿上会产生径向电磁力和切向电磁力,其中径向电磁力使定子铁芯产生的振动变形是电磁噪声的主要来源,而切向电磁力使定子齿根部弯曲产生局部振动变形,是电磁噪声的次要来源。对于永磁同步电机,其径向电磁力可由麦克斯韦应力张量法求得[7],即式中,Pn为理想条件下引起电机电磁噪声的径向力波,N/m2;b(θ,t)为气隙磁密,T;μ0=4π×10-7H/m为真空磁导率。

在理想情况下,电机转子径向所受的磁拉力合力为零且径向力波的特征阶次为电机极数的整数倍[8]。但在实际情况下,由于结构、零部件的加工及装配和材料磁化等原因,电机会产生两部分径向不平衡磁拉力,一部分与时间无关,方向指向间隙很小方向;另一部分与时间相关,其波动频率为电频率的2倍。若电机的磁极对数大于3,则只有与时间无关的部分存在。

当采用变频器供电时,永磁同步电机定子电枢反应磁场中产生大量与开关频率有关的谐波成分,显著影响电机气隙磁场中电磁力波的幅值和次数,并会因电磁激振力频率与电机某些模态固有频率接近而发生共振,进而引起电机振动和噪声增大。