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电机NVH分析中的空间阶次!

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摘要

本文讨论了电机的E-NVH问题,尤其是电磁噪声的分析。传统电机设计主要关注电磁结构以满足性能需求,但忽略了E-NVH问题。电磁噪声主要由槽极交互和PWM波载波驱动产生的谐波引起。引入阶次分析作为电机E-NVH分析的基础,阶次描述了物理量的空间频率,如电磁力等。通过MANATEE软件,展示了力密度的时空分布和不同阶次的力波力型。电机振动与噪声主要关注低阶次,但高阶次磁密能激起低阶次电磁力。

正文

要分析电机的E-NVH问题,首先要具备一些基本的物理概念,传统的电机设计方法主要包括电磁设计、热设计、机械设计等;其中电磁设计是电机设计中的关键问题,传统来讲,电机本体的电磁设计主要关注电机的电磁结构能够满足功率、扭矩、效率、体积、发热等需求,不考虑电机E-NVH的问题,一般也不需要具备阶次分析的概念。

新能源汽车电机本体的噪声主要包括机械噪声和电磁噪声,机械噪声主要是轴承噪声,我们关注的重点是电机的电磁噪声,其主要由两部分构成:槽极交互引起的噪声(驱动电流完全正弦);PWM波载波驱动注入相电流的谐波引起的电机噪声。

基于MANATEE的阶次分析

电机的E-NVH问题非常复杂,要分析电机的电磁噪声问题,就需要了解一些新的概念,本文介绍一下电机分析中的阶次的概念。阶次描述的是一些周期性物理量的空间频率,如沿电机气隙周期性分布的磁动势、磁导、磁密、电磁力等物理量。如某物理量A的空间表达式为如公式1所示:

从公式1可知,A是由0到无穷阶的空间谐波组成,r为阶次,一个气隙周期为360°机械角度,即为2π,那么r阶的波长为2π/r,阶次也反映了某物理量沿着气隙一周的波数。例如:根据电磁力的计算公式,可知电磁力正比于气隙磁密的平方,电磁力的最大阶次由转子的极数决定的,即r=2p。

当引入时域概念后,我们获得了某阶次单一频率的时域表达式如下所示,其行波速度为w/r,行波方向取决于角速度和阶次的±,在MANATEE中,频率总是为正,阶次可能为负。

某一阶次的空间谐波就在频率轴上有了傅里叶分解。如下图所示

基于MANATEE的力密度的时空分布

下面展示几个阶次的力波力型方便理解。0阶为电机的径向脉振力波,1阶为偏心不平衡磁拉力,2阶为椭圆力型;

阶次分析是电机E-NVH分析的基础,因为电机的共振不仅取决于电磁激励的阶次和频率,同样与结构的模态和固有频率有关。刚度是一个跟材料属性和形状有关的物理量,由于定子轭部在向外位移的时候,刚度是变化的,电磁力阶次越高,电机振动的位移量越小,所以电机的振动与噪声主要关注低阶次。然而考虑到电磁力与磁密的平方关系,高阶次气隙磁密能够激起低阶次的电磁力,如48槽8极永磁同步电机,由于转子谐波r1=13P=52和定转子磁场的磁密谐波r2=Zs+p=52的共同作用,造成了电磁力的r=r1-r2=0的0阶增加。

来源:汽车NVH云讲堂
振动电磁力汽车新能源电机材料热设计NVH
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首次发布时间:2024-05-23
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吕老师
硕士 28年汽车行业从业经验,深耕悬置...
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