永磁同步电机电磁噪声抑制方法综述

刘方韬,张成新,庞 悦

(曲阜师范大学 工学院,日照 276800)

0 引 言

2023年第一季度新能源汽车产销累计完成165.0万辆和158.6万辆,同比分别增长27.7%和26.2%[1]。作为主流技术方向的纯电动车型,在新能源汽车市场中的份额稳定维持在七成以上,行业主导优势明显。根据以上数据,在中国汽车市场,电动汽车已经逐步被消费者所认可。

永磁同步电机(以下简称PMSM)因其高效率、高转矩密度和优秀的控制性能[2],已被广泛应用于电动汽车的驱动系统[3]。电机的噪声主要有机械噪声、电磁噪声和空气噪声[4-5],其中电磁噪声频率较高,占比最大。在电动汽车的驾驶环境中,高频电磁噪声将直接影响驾驶者和乘客的舒适度。另外,电磁振动还可能对电机自身的可靠性和寿命产生影响。因此,优化PMSM的电磁噪声是新能源汽车技术研究的重要方向之一[6]。

1 电磁噪声产生的原因

PMSM的电磁噪声产生的机理是一个涉及电场、电磁场、机械场和声场等多个物理量的复杂过程。高频电磁噪声的来源主要有两个:由逆变器引入到电枢绕组中的电流谐波和电机的拓扑结构引起内部的电磁场谐波。

变频逆变器涉及脉宽调制技术,其通过在固定周期内快速切换开关状态来模拟所需的输出电压。但这种操作方法的非正弦波形输出、开关设备的高速开关特性以及为防止短路而设置的死区时间都会引入电流谐波。当逆变器用于驱动电动机时,这些电流谐波会被传输到电动机的电枢绕组中引起电枢反应谐波磁场。

电枢反应谐波磁场与永磁体谐波磁场相互作用并在电机拓扑结构的影响下产生的气隙磁场具有时间和空间的双重属性,包含了不同空间阶次和时间频率的磁密谐波含量,这些磁密相互作用产生电磁力谐波。电磁力谐波可以分解为使电机产生转矩的切向电磁力和使定子铁心发生形变的径向电磁力[7],如下式:

式中:Br(θ,t),Bt(θ,t)分别为气隙磁密的径向分量和切向分量;μ0为真空磁导率。径向电磁力的幅值远大于切向电磁力。

定子铁心的周期形变会带动电机外壳和空气一起发生周期振动,从而在空气中产生声学噪声并向外辐射,噪声产生机理如图1所示。

图1 振动噪声产生机理

电磁力波引起的振动和噪声不仅与力波幅值有关,还与力波阶数有关[8],力波阶数越低,所引起的振动和噪声越大。当电磁力波的振型和频率与定子系统自然模态振型和频率接近时会产生共振现象[9],激发较大的电磁噪声,在电机设计阶段要避免这种现象的产生。

2 振动噪声研究现状

PMSM的振动噪声可以采用数值法、解析法、半解析法[10]进行计算。数值法依赖于有限元分析软件,通过建模可以应对复杂的几何形状和边界条件,从而获得更高的精度,但是因为计算数据量巨大,计算时间过长。解析法可以在较宽的速度范围内快速计算振动和噪声,然而只能通过3种边界条件来描述电机支撑状态,对于复杂电机会引起严重误差。半解析法结合了数值法和解析法的特点,常用的方法是通过数值法计算电磁力,通过解析模型得到振动和声辐射。

文献[11]研究了影响PMSM辐射电磁噪声的准确建模的几个因素。实验发现为了确保模型的精确性,在进行模态分析时,必须考虑到端盖、散热器,以及与机器安装底座相连的部分。除非定子绕组的质量相对于整个结构的质量非常大,否则通常不需要考虑其影响。转子的谐振频率远低于定子的谐振频率,因此在考虑整体声压和定子振动时,转子的贡献可不考虑。在模态阻尼选择上,倾向于选择单个模态阻尼比,而非平均模态阻尼比。为提高计算的精确度,需要在模型中加入夹紧或简单支撑的边界条件。文献[12]提出一种基于齿建模的高精度解析方法,此方案用齿的集中力作为激励源来计算振动,避免了用力密度来计算时忽略电机中的高阶电磁力所引起的振幅较大的低模态振动,然后采用叠加法叠加所有齿力激发的振动,计算电机表面总振动加速度。文献[13]通过将实验获得的结构传递函数和从静磁有限元获得的磁力矢量相结合,获得电机定子组件的精确频率响应,此方法能够准确判断电机的振动响应,无需构建容易出现建模错误的结构有限元模型,而且能够识别结构传递函数和磁力的时空分量的贡献。文献[14-17]提出了一种多物理场模型,用于预测变速范围PMSM的电磁噪声并分析其音质。如图2所示,首先,建立二维电磁有限元模型,测试启动过程中的电流,作为模型的输入进行力计算;将力传递到结构模型,并使用模态叠加法预测振动;然后,基于结构模态信息和声学传递矢量,建立电磁力与声压之间的噪声传递函数。使用此功能可实现噪声计算的平衡效率和准确性。

图2 振动和噪声的计算流程图[14]

上述文献主要研究由径向电磁力引起的噪声,然而切向电磁力在电机的声学性能研究中同样关键,其在驱动电机旋转的同时,也可能成为噪声的来源。文献[18]发现高空间阶气隙力的开槽效应,也能诱发振幅较大的低模定子振动,称为调制效应,存在此效应的电机,切向电磁力引起的振动约为径向电磁力引起振动的一半。文献[19]发现定子齿的杠杆效应使得非零阶次切向电磁力也会产生随空间阶次增加而降低的振动,这种振动特点与径向力引起的振动相似。转矩的变化会导致电机和支架产生振动,并给基座施加不稳定的力矩,从而激发系统的振动。

3 电磁噪声抑制研究现状:

针对PMSM电磁噪声产生的原因,可以将优化策略大致分为三类:一是设计时避开和定子模态类似的振型与频率,避免共振产生;其次是降低低阶次电磁力幅值,减小激励源,进而降低噪声;最后是增加系统阻尼,减小声辐射传递效率。

3.1 避开共振频率带

当一个系统受到与其固有频率相匹配的外部周期性激励时,系统的振动响应会显著增加。在设计阶段可以通过改变极槽配合、机壳参数、转子偏心、逆变器载波频率等调整关键阶次电磁力波频率和定子的固有频率,从而避免两者振型和频率接近而产生共振。

(1)电机本体结构角度

文献[20]对8极12槽和8极9槽两种不同极槽配合下PMSM振动和噪声进行研究后发现,当定子槽数是转子磁动势谐波分量的整数倍时可以避免低阶次径向力谐波和定子之间的共振。文献[21]对6种不同的齿槽配合的电机进行实验研究,得到的振动频谱如表1所述。定子内表面上电磁力谐波的最小模态阶数为槽数和极数的最大公约数,最大幅值的谐波是模数等于极数。对于内部电磁力引起的定子振动,整数槽电机比分数槽电机的振动要小。

表1 不同齿槽配合电机定子外径上各点的振动谐波

文献[22]发现,极槽配合和绕组布置影响振动和噪声,具有二阶振动模态的12/10电机的噪声性能较差,而具有6阶振动模态的27/6电机具有更好的性能,模阶大于或等于3的电机在噪声性能方面是完全可以接受的。文献[23]发现,转子动态及静态偏心均会产生额外的频率与空间阶次和定子低阶模态相近的径向电磁力谐波,易处于电机共振带附近,导致电机的振动进一步恶化。

(2)电机控制策略角度

在传统的正弦脉宽调制中,逆变器的输出谐波功率峰值主要集中在开关频率及其整数倍附近[24]。随机脉宽调制策略[25]可以有效减小开关频率附近及其整数倍的交流电机中的电磁振动和噪声,并且可以减小逆变器端口输出端滤波器的尺寸[26]。根据随机性方式的不同,随机脉宽调制可分为随机开关频率脉宽调制[27]、随机脉冲位置脉宽调制[28-29]和随机开关脉宽调制[30]。然而,在传统的随机脉宽调制中,无法选择性地消除特定频率谐波。文献[31]通过连续扫频调整高次注入谐波电流的频率,分散频谱能量,从而有效改善了电机的高频振动和噪声问题。这种方法通过打散频谱能量,使得高频振动和噪声不再集中在某个特定的频率,从而避免了产生共振和高频噪声。文献[32]提出双分支三相PMSM与载波相位偏移相关联的方案,如图3所示,具有载波移相 π的并联逆变器可以使奇数阶载波谐波和相关电流谐波在2个三相绕组中向相反方向流动,奇数阶载波频率谐波产生的磁动势相互偏移有助于消除奇数阶PWM频率振动,但偶数阶载频振动仍然存在。

图3 双分支三相PMSM由带耦合电感器的交错并联逆变器驱动

文献[33]提出伪随机三角载波调制方案,通过随机组合2个具有相同固定频率但相位相反的三角载波而开发的。2个三角载波的随机选择由伪随机二进制序列(PRBS)随机位的“0”或“1”状态决定。随机化导致部分谐波功率转移到连续频谱,并显著平衡离散频谱。这导致噪声频谱在很宽的范围内扩散,从而显著降低整体噪声。伪随机三角载波调制原理如图4所示。

图4 伪随机三角载波调制技术框图[33]

文献[34]提出随机脉宽调制选择性频谱整形控制策略,通过相互抵消输出电压傅里叶级数中的前后项来选择性地消除特定频率谐波,既能抑制开关频率整数倍附近的振动和噪声,又能选择性抑制其他频率下的电磁振动和噪声。分散振动频谱的方式虽然可以消弱噪声尖峰,但是仍然存在局部的峰谷,文献[35]提出了一种最优周期载波频率PWM方案,可以削减由于电机的振动频率响应函数不均匀特性引起的高频振动峰值。载波频率序列经过设计,使得零阶电磁力的振幅与扩散范围内的振动频率响应函数成反比。与具有相同的周期载波频率信号的频率和PWM载波频率的变化范围的通用周期载波频率PWM方案相比,最优的周期载波频率PWM方案可以进一步平坦化振动光谱,并更有效地降低高频振动水平和峰值。

3.2 降低电磁力波幅值

气隙中的电磁力波是导致电机产生振动噪声的主要激励源,通过对定子、转子、气隙及永磁体的拓扑结构和尺寸进行深入的系统优化,不仅可以调整电磁力的谐波含量,而且能显著地减弱其幅值。

文献[36]研究了在PMSM转子表面优化矩形开槽的位置,实现了高达70%的48次谐波径向力下降。常见的转子开口形状如图5所示。

图5 各种转子开口形状[36]

文献[37]对某款8极48槽的PMSM振动噪声水平评估后,提高定子刚度和降低低阶次电磁力幅值的结构可以对电机的振动噪声有正面的影响。文献[38]研究,选用恰当的不均匀气隙将会使气隙磁场的波形畸变率减小,反电动势波形近似于正弦波, 空载气隙磁密波形得到了优化,振动减弱。不均匀气隙结构如图6所示。

图6 不均匀气隙定转子结构示意

得到气隙磁场近似正弦分布时不均匀气隙距的近似数学表达式:

式中:Dil为定子内经;θ1为磁极半跨距角;δmin为最小气隙长度;δmax为最大气隙长度。

文献[39]采用响应面算法对永磁体的位置和角度进行优化,在不降低平均转矩的情况下实现了噪声的降低。文献[40]研究了齿槽宽度对径向电磁力的影响,槽口宽度越小,反电动势有效值会越大,而且力波幅值会减小,从而削弱噪声。文献[41]建立了精准的PMSM多物理场电磁振动噪声预测模型,提出两种优化方案:一是通过优化齿槽宽度和永磁体圆角半径来削弱径向电磁力幅值,此种方法对单一频率峰值噪声效果明显;二是通过转子分段斜极和连续斜极来实现径向电磁力沿轴向分布相位的优化,此种方法对多个频率峰值噪声进行削弱时更加有效。文献[42]提出了,斜槽斜过定子齿距整数倍,可以降低齿槽转矩的幅值,但过大的斜率会降低过载能力提高轴向力,一般斜过一个定子齿距是理想的斜槽角度。文献[43]提出了在槽口处放置磁槽楔的方法,间接增加了齿的有效截面积,并使气隙中磁通量的密度分布更加均匀,从而减弱气隙中的谐波,有效减少磁场引起的振动。文献[44]研究分析,将磁钢层数设计为3层或2层对抑制电机的振动噪声较为有利,通过对3层磁钢电机的磁钢槽端部进行削角处理,对2层磁钢电机的转子侧开对称的隔磁孔,可以进一步降低声。隔磁孔结构如图7所示。

图7 电机转子开隔磁孔示意图

文献[45]对电机定子齿采用不同的齿肩削角方式,仿真验证,电机定子齿肩采用内切圆弧式削角方式的降噪效果明显优于直线式削角方式的降噪效果。文献[46]研究了,在永磁体用量相同的情况下,双层永磁体的电机气隙磁场谐波幅值总体上低于单层永磁体的电机。文献[47]采用遗传算法对样机进行多目标优化,发现转子磁体宽度、转子磁体夹紧角、定子槽深度和定子槽宽是高灵敏度参数,转矩波动对定子槽宽最敏感,平均转矩对转子磁体宽度最敏感,径向力波幅值对定子槽深度和转子磁体夹紧角更敏感。

3.3 降低声辐射传递效率

通过改进定子和机壳的配合方式、绕组灌封以及改变定子的尺寸参数等措施来增加系统的阻尼值,使定子振动传到空气时得到大幅衰减,从而降低噪声,目前此类方法较少。

文献[48]提出在开关磁阻电机定子和机壳之间插入碳素弹簧钢片的方案来增大阻尼,研究了板簧的张力和厚度对振动水平的影响,结果显示,对高速噪声的抑制更为明显,此方案意在减小定子到外壳的振动传递,同样也适用于PMSM。板簧安装示意图如图8所示。

图8 板簧安装示意图

文献[49]研究发现,永磁体和定子之间的环氧化物树脂胶可以降低电机的刚度和自然频率,提高系统阻尼,进而影响电机的声学特性。

4 结 语

在工程应用时,基于不同使用场景和成本的考虑,可以组合不同的优化策略。值得注意的是,在进行电机噪声优化的过程中,可能会造成其他性能指标的变化。我们不仅需关注噪声降低的效果,还必须兼顾电机的转矩、效率、温升等关键参数,以确保整体性能的均衡和优化。

总体而言,噪声优化已经有了显著的提高,电动汽车的驾乘体验已经有了明显的改善。结合研究现状,今后可能有以下几个研究趋势:1)开发更精确和先进的建模和计算方法,以实现更复杂和精细的噪声优化,当前的建模方法往往忽略了某些细微之处,而在计算过程中有时会忽视特定的非线性因素,这些因素导致仿真结果与实际的噪声表现不完全一致;2)人工智能和机器学习与控制算法相融合,能够根据实时的输入和环境变化自动调整其行为,以实现实时响应和全速域的噪声优化;3)研发新型高性能材料、提升制造工艺和装配工艺,可以提高电机的性能并降低噪声。