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原文传递电动汽车用内置式永磁同步电机全工况电磁噪声研究

论文题名：	电动汽车用内置式永磁同步电机全工况电磁噪声研究
关键词：	电动汽车;内置式永磁同步电机;电磁噪声
摘要：	在全工况范围内，内置式永磁同步电机的电磁噪声具有高频、时变、难以避免共振等特点，再加上静动态偏心、电流谐波和分段斜极等对电磁噪声特性带来的复杂影响，使得内置式永磁同步电机电磁噪声的正向预测、诊断与优化困难，因而有必要研究电动汽车用内置式永磁同步电机全工况电磁噪声的特性与优化手段。　　（1）内置式永磁同步电机气隙磁场和电磁力波机理研究。建立了内置式永磁同步电机全工况机-电-磁耦合解析模型、有限元模型和磁路模型，并开展了气隙磁场直接测试实验，揭示了全谐波电流作用下内置式永磁同步电机气隙磁场和电磁力波的特性。研究结果表明：电流基波、低次奇数倍谐波电枢反应磁场和永磁体磁场相互作用时，电磁力波频率为电源基波频率fc的偶数倍2kfc；低次偶次倍谐波2kfc影响下，电磁力波频率为fc的奇数倍knfc；高频边带谐波影响下，电磁力波频率为k1fs±(k2±n)fc。对于整数槽电机，电磁力波的空间阶次可以通写为2kp±mQ。非稳态电磁力波的频率成分与稳态相同，但呈阶次特征。　　（2）内置式永磁同步电机多物理场耦合仿真分析。首先对定子总成进行了实验模态分析和仿真模态分析，进而建立了稳态/非稳态电磁振动噪声仿真计算模型，计算了稳态/非稳态加速工况和回馈制动工况的振动噪声，最后通过实验验证了仿真计算的准确性。研究结果表明：加速工况和回馈制动工况振动与噪声的频率特性均随转速变化呈现明显的阶次特征，主要成分为单方向射线状的极数整数倍阶2kpfr和开关频率附近的双向伞状高阶谐波fs±(k2±n)fc；预测噪声峰值点和实验噪声峰值点位置相同，出现在共振转速位置，且幅值误差在4%以内。　　（3）内置式永磁同步电机振动噪声影响因素分析。利用稳态/非稳态内置式永磁同步电机电磁噪声机-电-磁-固-声多物理场耦合预测模型计算和分析了电流谐波和偏心故障对电磁噪声的影响规律。研究结果表明：静态偏心不改变电磁噪声的频率特性，动态偏心则会使电磁噪声出现fn±fr和fn±2fr的成分；随着静、动态偏心程度的增大，电磁噪声幅值呈现增大趋势；在偏心程度相同时，动态偏心电磁噪声的频率成分更为丰富，总声压级幅值更大。低次偶数倍电流谐波2kfc会引入knfc的电磁噪声谐波；高频边带电流谐波k1fs±k2fc会引入k1fs±(k2±n)fc频率的电磁噪声谐波，这类电磁噪声在稳态下往往难以辨别，而在非稳态工况的噪声阶次图上表现为双向伞状阶次。转子分段斜极可以显著抑制内置式永磁同步电机的电磁噪声。　　（4）内置式永磁同步电机振动噪声实验测试与分析。首先在半消声室环境中测试了不同负载转矩加速工况和不同制动转矩回馈制动工况的电机振动噪声，然后揭示了噪声分布的阶次特性，辨识了噪声的阶次来源，最后分析了不同负载转矩/制动转矩时振动噪声的阶次特性和声品质特性。研究结果表明：振动噪声主要包含7类阶次：低频整数阶、低频分数阶、极数的整数阶、kp±1阶、极数的分数阶、开关频率附近高阶和共振带。加速/回馈制动过程的语音清晰度随转速升高总体呈减小趋势，但呈现非线性；总声压级和响度随转速升高总体呈增大的趋势，但峰值点并不出现在最高转速；加速/回馈制动过程的尖锐度在全转速范围内分布均匀；负载/制动转矩对语音清晰度影响较小，与声压级、响度和尖锐度成正比。　　（5）内置式永磁同步电机电磁噪声正向诊断与多目标优化。首先提出了内置式永磁同步电机电磁噪声的正向诊断与优化方法，实现了在电机设计阶段将电磁噪声的优化结合进设计流程。分别利用有限元数值迭代方法和智能算法迭代方法对电机的电磁力波、平均转矩和效率进行了多目标优化，最后通过电磁噪声仿真验证了多目标优化的有效性。研究结果表明：全转速工况内噪声峰值的主要成因是电磁力谐波激起电机固有模态，引发了共振。基于电磁有限元参数化模型、VBS脚本和NSGA-Ⅱ遗传算法的多目标数值迭代优化和基于BP神经网络模型、NSGA-Ⅱ遗传算法的多目标智能算法迭代优化均可实现对电机性能、效率和噪声的优化。优化后电机的电磁力波降低34.2%，平均转矩提高7.6%，效率提高1%，电磁振动噪声水平降低24.4%。
作者：	周生森
专业：	车辆工程
导师：	马琮淦
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020