曾群：乘用车异步电机电磁噪声研究

乘用车异步电机电磁噪声研究

 曾群

 

Research for Electromagnetic Noise of EV Driving Induction Motor

 

Zeng Qun

 

ABSTRACT: Designs with high torque, wide speed range and light weight are pursued by motor designers for electric vehicle (EV) drives. Such designs have resulted in a wide frequency band of the normal electromagnetic force acting on stators and rotors of motors. The maximum frequencies of the electromagnetic forces are likely to be close to or higher than the corresponding modal frequencies of the motor structure, which will produce big electromagnetic noise. A slot combination selection method was analyzed for the suppression of electromagnetic noise produced by EV driving induction motors. The orders and maximum frequencies of the possibly existed electromagnetic forces were predicted for different slot combinations. The normal modal frequencies of the motor structure were computed by the finite element method. The maximum frequencies of the electromagnetic forces were compared with the modal frequencies of the motor structure at the speed range of EV driving induction motors. In the condition of enough torque, the slot combination, whose maximum frequencies of electromagnetic forces are lower than far from the corresponding modal frequencies of the motor structure, is chosen.
KEY WORDS: slot combination; electromagnetic noise; induction motor; electric vehicle

摘要：电动汽车驱动用电机追求高出力、宽调速和轻量化的 设计方案，导致作用于电机定转子铁心上的径向电磁力波频带较宽，各次电磁力波最高频率接近或高于电机结构相应各 阶模态频率的可能性大，容易引发较大的电磁噪声。该文研  究了有利于车用异步电机电磁噪声抑制的槽配合选择方法。

预测车用异步电机不同槽配合可能存在的电磁力波次数及其最高频率，采用有限元法计算电机结构的各阶径向模态频   率，对比车用异步电机调速范围内可能存在的各次电磁力波 最高频率与电机结构的模态频率，在保证满足电机力能指标的前提下选择各次电磁力波最高频率低于并远离电机结构相应各阶径向模态频率的槽配合。
关键词：槽配合；电磁噪声；异步电机；电动汽车

 

0 引言

电机运行时定转子基波磁场和各次谐波磁场的互相作用，在定转子铁心内表面产生随时间和空间变化的低次径向电磁力波是产生电磁噪声的主要来源。槽配合的选择决定了电机运行时可能存在的电磁力波次数和力波频率，选择适当的槽配合有助于降低异步电机的电磁噪声。为满足电动汽车的爬坡和巡航能力，提高电动汽车的市场竞争力，电动汽车驱动用电机极力追求高出力、宽调速和轻量化的设计方案，电机的调速范围大，调速比(最高转速/基速)最大可达 4~5，导致电磁力波的频带较宽，各次电磁力波的最高频率接近或高于电机结构相应各阶模态频率的可能性大，在电机调速范围内引发较大电磁噪声的可能性较大。为有效抑制电磁噪声，必须保证电机调速范围内可能存在的各次电磁力波最高频率高于并远离电机结构相应各阶模态频率[8-9]。本文以定子 36 槽额定功率40 kW 的混合动力客车驱动用鼠笼异步电机的槽配合选择为例，分析三种不同槽配合可能存在的电磁力波次数，通过对比分析各槽配合可能存在的各次电磁力波最高频率和电机结构的各阶模态频率，选择有利于车用异步电机电磁噪声抑制的槽配合。

 

1 电动汽车驱动用异步电机的槽配合选择
1.1 槽配合的电磁力波次数表
鼠笼异步电机定转子气隙磁密可能存在的主要谐波次数如下：
            μ = 2 mk₁+1                             (1)

λ = k₂ S₂ / p+1                          (2)
式中： μ为定子谐波次数； λ为转子谐波次数； m 为相数； p 为极对数； S2为转子槽数； k1、 k2为正整数。
定转子磁密谐波互相作用产生的电磁力波次数为
            n =  (μ± λ) p                         (3)
式中 n 为电磁力波次数。
由式(2)可知，转子谐波次数与转子槽数有关，本文选择 36/30、 36/44 和 36/34 3 种远槽少槽、远槽多槽和近槽 3 种槽配合进行对比分析。由式(1)~(3)可列出 40kW 异步电机 3 种槽配合可能存在的低次电磁力(低于 6 次)， 如表 1~3 所示。由表可知， 36/30和 36/34 槽配合均可能存在 2 次电磁力波，由于电磁力波次数较低，发生电磁共振时产生较大电磁噪声可能性就较大。电磁力波的激振频率计算公式如下：

f _r= f₁[kS₂ / p (1- s)+ ]                  (4)

电机定转子铁心开槽引起的气隙磁密齿谐波由于与基波绕组系数相同而难以通过短距绕组方式削弱，谐波磁密的幅值较大[11-12]。齿谐波次数为
             γ = 1± kS / p                           (5)
式中： k 为正整数； S 为定、转子槽数。 k=1 时对应的齿谐波为一阶齿谐波，是使异步电机产生较大电磁噪声的主要来源[13]。本文样机为 4 极，最高转速为 6 000 r/min。由式(4)计算各槽配合的定转子齿谐波所产生的各次电磁力波的最高频率如表 4 所示。
                     

 

 

表 1 36/30 槽配合Tab. 1 36/30 slot combination

 

表 2 36/34 槽配合Tab. 2 36/34 slot combination

 

表 3 36/44 槽配合Tab. 3 36/44 slot combination

 

           表4电磁力波最高频率Tab. 4 Max frequencies of electromagnetic force Hz

 

1.2 电机结构的模态频率
建立样机结构的有限元仿真模型，计算样机结构的各阶模态频率，样机结构有限元仿真模型与有限元网格剖分如图1所示。

 

电机结构2阶和4阶模态频率的有限元仿真结果分别为1466、6350 Hz。模态振型的有限元仿真图如图 2 所示。

 

 

图 1 电机结构的有限元模型与网格剖分图

 

对比样机2次、4次电磁力波的最高频率和电机结构2阶、4阶模态频率的有限元仿真结果可知，36/44槽配合4次电磁力波最高频率为4000Hz，低于并远离电机结构的4阶模态频率。36/30和36/34槽配合定、转子一阶齿谐波产生的2次电磁力波最高频率大于电机结构的2阶模态频率，将在电机调速范围内发生电磁共振。由电机结构模态频率的有限元仿真结果和式(4)预测，36/30和 36/34 二种槽配合样机空载运行时，2次电磁力波产生电磁共振的转速工作点分别为36/30 槽配合—2587r/min，36/34 槽配合—2315和2587r/min。

二阶电机结构振型整体视图

 

1.3 噪声测试
本文测试了36/30、36/34和36/44 三

种槽配合样机的空载噪声，为保证获得清晰的噪声频谱，本文噪声测试点距离电机机身30 cm，而不是鉴定性噪

图 2 电机结构模态振型的有限元仿真结果

 

声实验标准中的 1m。噪声测试点背景噪声最大值为44dB。与样机空载噪声测试结果最小值相差12.2 dB。噪声测试值与背景噪声的差值在 4~10 dB之间需要对测试结果进行修正，背景噪声低于测试值10 dB以上不需作修正。3 种槽配合样机的空载噪声特性测试结果如图 3 所示。

图 3  三种槽配合样机的空载噪声特性测试结果

通过对样机的空载噪声测试发现，36/30和36/34槽配合样机在2000~3000r/min 的速度范围内存在较大的啸叫声，对36/30和36/34 槽配合样机噪声最大转速工作点2400和2600 r/min 的噪声进行频谱分析如图4和图5所示。由式(4)计算可得2 种槽配合样机在2个转速时2次电磁力波的频率分别为1360和 1473.3Hz。与样机空载噪声频谱中峰值声压对应的频率基本一致。

频率/kHz

图 4 36/30 槽配合 2 400 r/min 空载噪声频谱

 

图 5 36/34 槽配合 2 600 r/min 空载噪声频谱

 

1.4 槽配合选择对异步电机力能特性的影响

虽然36/44 槽配合有利于本文样机电磁噪声的抑制，但远槽配合异步电机的力能指标比近槽配合低，电动汽车对驱动电机的力能指表要求较高，因此选择远槽配合必须首先保证电机的力能指标满足技术指标要求。本文36/44 槽配合的样机力能指标满足技术指标要求，如图 6 所示为 36/44 槽配合样机的实验效率 Map 图。因此本文样机选择 36/44 槽配合。

图 6 36/44 槽配合样机实验效率图

2 结论

异步电机的槽配合决定了电机运行时可能存在的电磁力波次数和力波频率，电动汽车驱动用电机的调速范围宽、力能指标要求高，电磁噪声的抑制难度较大，本文以定子36槽车用异步电机的槽配合选择为例研究了槽配合对车用异步电机电磁噪声的影响，通过分析得出以下结论：为有效抑制车用异步电机的电磁噪声，在电机设计过程中应首先分析各种槽配合可能存在的电磁力波次数并预测电机结构各阶径向模态频率，在保证力能指标要求的前提下尽量选择各次电磁力波最高频率低于并远离电机结构相应径向各阶模态频率的槽配合。