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原文传递电动汽车水冷驱动电机动力学理论建模与振动控制研究

论文题名：	电动汽车水冷驱动电机动力学理论建模与振动控制研究
关键词：	电动汽车;水冷驱动电机;动力学理论建模;振动控制
摘要：	电动汽车以驱动电机作为动力源代替发动机，振动噪声水平已经有了大幅度提高，但是仍存在高频啸叫等问题。驱动电机中复杂的电、磁、机械以及流体的多物理耦合，使得电机振动噪声问题的机理复杂且互相干扰，给驱动电机振动的深度优化提出了难题。作为电机振动分析的关键内容，学者们对于定子的振动特性已经开展了大量研究，其中解析法建立的理论模型计算便捷，可以帮助研究人员从本质上理解定子的动力学特性，掌握定子振动中的主要影响因子，具有天然优势。但是，限于理论难度以及结构和边界的复杂性等因素，现有的理论模型仍与实际有一定差距。此外，关于由水冷机壳包裹的定子的动力学理论建模的相关研究尚为空白。因此，本文首次考虑电动汽车水冷驱动电机的实际材料、复杂结构和工作环境，建立一个统一的可快速计算的水冷电机定子动力学理论模型。在此基础上，深入研究电机振动噪声的影响因素，揭示电机振动的内在规律，并对其进行振动控制。主要内容如下: 　　（1）首先介绍了一般圆柱壳体的坐标系及运动方程，并列举常见壳体理论，以及复杂结构圆柱壳运动偏微分方程的建立和求解方法，为后续研究奠定理论基础。然后，通过严格推导提出了一个统一的适用于电动汽车水冷电机定子固有特性求解的参数化理论模型，仅需带入相应参数即可直接获取定子组件的固有频率、模态振型。将开有“Z”型水道的水冷机壳建模为由耦合元件连接的双层圆柱壳，整个定子组件处理为具有纵向肋骨的三层圆柱壳,考虑了壳体的横向剪切变形、旋转惯性以及纵肋的各向弯曲、扭转、拉伸变形，从而使系统的能量泛函更加精确。根据水冷电机的实际特点，将以往被忽略的正交各向异性材料、齿槽形状、端部绕组、水冷机壳内外壳的机械耦合以及绕组的浸渍等影响均详细纳入模型中。采用三角函数和多个幂函数的叠加形式来统一表示位移试函数，既满足强制边界条件，又与系统实际位移函数尽可能接近。使用基于能量原理的拉格朗日方程法和Rayleigh Ritz法共同构建了水冷电机定子自由振动的特征方程，并列举了针对简支、固支和弹性自然边界条件的位移试函数。　　（2）搭建了电机模态试验的测试系统，以及复杂定子结构的有限元模型。采用本文提出的理论模型计算了定子各组件的固有频率和振型，分别与模态试验结果和有限元结果对比，共同验证了本文理论模型的准确性，以及结构有限元建模的有效性。进一步研究了理论模型的数学尺寸对偏移误差的影响，以及理论模型、有限元方法和模态试验方法在求解时间上的差异，反映了该模型突出的时间优势。　　（3）首先根据麦克斯韦张量法，分别推导了空载和负载下电磁力波各阶分量的表达式。然后搭建6极36槽永磁同步电机的电磁分析模型，计算了空载和负载情况下电磁力波的具体数值，并通过一维傅里叶分解获取主要谐波的时间频率和空间阶数。在此基础上，通过时空二维傅里叶分解来直观地表明可能引起电机共振的电磁力波的时间频率和空间阶数的对应关系。最后，引入电磁力波作为激励，对定子进行谐响应分析和多转速下的实际振动响应分析，研究定子位移响应最大处电磁力波时间频率、空间阶数与定子模态频率、振型的联系，揭示电机产生振动的本质原因，并分析定子实际振动行为和定子各种共振的相对重要性。　　(4)首先详细分析了电磁力波的空间阶数在电机振动优化中的重要意义。然后，从水冷电机本体入手，研究了定子铁心的结构和材料参数、端部绕组和槽内绕组的材料参数以及水冷机壳的结构和材料参数对电机固有频率的影响，为合理调整电机固有特性使其固有频率远离空间阶数相同的电磁力波的频率，进而避免共振提供了理论参考。最后,研究了水冷机壳的连接筋宽度和水道数量对固有频率的影响，并总结相应规律，为水冷机壳的结构设计提供参考。此外，还研究了水冷机壳的反相模态。在此基础上，分析了反相模态对理论模型求解精度的影响。
作者：	赵国栋
专业：	机械工程
导师：	孙玲玲
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023