新能源永磁電機(jī)模態(tài)分析

李力欣

為了縮短新能源動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)周期，技術(shù)人員需要對(duì)方案進(jìn)行固有模態(tài)及電磁方案諧波的理論校核，以避免結(jié)構(gòu)部件固有頻率與電磁諧波產(chǎn)生共振?；赟olid-Works、Maxwell軟件，對(duì)1款新能源永磁同步電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵芯等結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行固有模態(tài)分析。針對(duì)磁場(chǎng)諧波頻譜理論計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行技術(shù)分析與合理優(yōu)化，以提升樣機(jī)方案的合理性，減短樣機(jī)審核周期，降低樣機(jī)生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

電磁結(jié)構(gòu);模態(tài);諧波;振動(dòng)

0 前言

隨著新能源電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，用戶對(duì)于乘坐舒適性的要求也隨之提高。整車振動(dòng)水平對(duì)用戶舒適性有著最直接的影響。電機(jī)作為電動(dòng)汽車中的核心部件，是振動(dòng)的最主要激勵(lì)元[1]。在批量生產(chǎn)前，為了提高新能源電動(dòng)汽車的舒適性，需要對(duì)新能源三相永磁同步電機(jī)進(jìn)行3～5次方案優(yōu)化，而振動(dòng)問題是其主要優(yōu)化方向之一[2]。

針對(duì)1款新能源電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，本文首先從理論上進(jìn)行振動(dòng)分析，然后通過有限元分析，仿真計(jì)算確認(rèn)設(shè)計(jì)方案的可行性，從而減少電機(jī)方案的優(yōu)化次數(shù)，降低設(shè)計(jì)成本，縮短開發(fā)周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 基于Maxwell軟件的有限元分析

如圖1所示，技術(shù)人員在Maxwell軟件中建立電機(jī)有限元模型用于電磁仿真。新能源三相永磁同步電機(jī)的電氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和表2所示。

電機(jī)磁場(chǎng)的有限元分析主要針對(duì)定轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)密度及齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行。如圖2所示，為了增加有限元分析的準(zhǔn)確性，技術(shù)人員在對(duì)定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)氣隙分布的內(nèi)外區(qū)域和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)域面進(jìn)行分區(qū)，不同的區(qū)域以不同的網(wǎng)格密度進(jìn)行劃分。

新能源三相永磁同步電機(jī)的振動(dòng)測(cè)試通常是在空載狀態(tài)下進(jìn)行的[3]。在有限元模擬時(shí)，振動(dòng)測(cè)試也在空載狀態(tài)下進(jìn)行仿真。如圖3所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到峰值轉(zhuǎn)速7 500 r/min時(shí)，技術(shù)人員對(duì)定子和轉(zhuǎn)子沖片磁密

云圖的飽和度進(jìn)行了分析。定子齒部最高磁密度為1.430 T，磁密度最高的位置位于轉(zhuǎn)子磁橋處，磁密度為2.200 T。定轉(zhuǎn)子氣隙間最高磁密度為0.803 T。氣隙磁場(chǎng)密度分布曲線如圖4如示。由此可知，電機(jī)的磁密度分配合理，降低了諧波對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響，同時(shí)氣隙磁場(chǎng)密度畸形也得到了抑制[4]。

如圖5所示，技術(shù)人員對(duì)氣隙磁場(chǎng)密度進(jìn)行傅里葉變換分解，幅值較大的各階次氣隙諧波磁場(chǎng)密度主要分布為：5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波和23次諧波，其他高次諧波對(duì)電機(jī)影響很小。3次諧波由于繞組采用Y型連接，對(duì)于3次諧波有削弱作用，可以排除3次諧波影響，總諧波畸變率（THD）為14.3%，滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖6所示，通過仿真計(jì)算可知定子和轉(zhuǎn)子之間的齒槽轉(zhuǎn)矩。如圖7所示，技術(shù)人員對(duì)定子和轉(zhuǎn)子之前的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行傅里葉變換分解。從分解結(jié)果可知，電機(jī)在主諧波分量和二次諧波分量有較大的幅值，其余階次的諧波分量均已通過設(shè)計(jì)優(yōu)化得到了抑制。

因此，當(dāng)電機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速7 500 r/min時(shí)，基波頻率為500 Hz。需要注意的是，此時(shí)諧波頻率分別為 1次諧波500 Hz，2次諧波1 000 Hz、5次諧波2 500 Hz、7次諧波3 500 Hz、11次諧波5 500 Hz、13次諧波6 500 Hz和23次諧波11 500 Hz。

2 基于Solid-Works軟件的靜態(tài)力學(xué)分析

定轉(zhuǎn)子鐵芯的固有頻率與諧波頻率相近或者相同時(shí)，容易產(chǎn)生共振，電磁力將成為電機(jī)振動(dòng)的激勵(lì)源，所以在樣機(jī)開發(fā)階段，技術(shù)人員需要對(duì)定子和轉(zhuǎn)子鐵芯進(jìn)行固有頻率計(jì)算，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)頻率點(diǎn)進(jìn)行分析及優(yōu)化[5]。根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子固有頻率的計(jì)算結(jié)果，技術(shù)人員對(duì)定子和轉(zhuǎn)子鐵芯進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，確定鐵芯的屈服強(qiáng)度達(dá)到抗振動(dòng)要求，以避免共振情況加大。

2.1 定子和轉(zhuǎn)子鐵芯固有頻率分析

基于Solid-Works軟件，技術(shù)人員針對(duì)定子和轉(zhuǎn)子鐵芯固有模態(tài)頻率進(jìn)行了分析[6]。定子鐵芯的固有頻率范圍如表3所示。轉(zhuǎn)子鐵芯的一階模態(tài)固有頻率為9 404.1 Hz，如圖8所示。

2.2 定子和轉(zhuǎn)子鐵芯機(jī)械強(qiáng)度校核

該電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速為7 500 r/min。針對(duì)具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)子鐵芯，技術(shù)人員在轉(zhuǎn)子外圓附近對(duì)磁鋼分布進(jìn)行了機(jī)械強(qiáng)度校核。

機(jī)械強(qiáng)度校核的初始條件為：分段轉(zhuǎn)子鐵芯材料自有質(zhì)量、峰值轉(zhuǎn)速（7 500 r/min）和磁鋼材料自有質(zhì)量。技術(shù)人員對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯進(jìn)行了高品質(zhì)網(wǎng)格剖分。轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度校核結(jié)果如圖9和圖10所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，技術(shù)人員分析如下：（1） 應(yīng)力集中分布位置在下部隔磁橋位置，對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯整體強(qiáng)度影響有限，不會(huì)造成轉(zhuǎn)子受力結(jié)構(gòu)的不可逆損傷;（2）應(yīng)變集中分布在去重孔的應(yīng)力橋處，最大變形比為0.002 74，相對(duì)變形量較低，并且位置靠近軸孔位置，對(duì)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度影響很小。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析及優(yōu)化

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，技術(shù)人員進(jìn)行了技術(shù)分析，并提出優(yōu)化措施如下：（1）5次諧波頻率與定子鐵芯二階固有頻率極為接近，是共振發(fā)生的危險(xiǎn)點(diǎn)，其余頻率點(diǎn)經(jīng)分析不是共振危險(xiǎn)點(diǎn);（2）5次諧波需要通過電機(jī)控制器進(jìn)行抑制;（3）經(jīng)過定子和轉(zhuǎn)子鐵芯強(qiáng)度計(jì)算可知，定子鐵芯的軛部強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子鐵芯磁橋強(qiáng)度均滿足抗振要求，進(jìn)一步抑制了共振的產(chǎn)生;（4）對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯進(jìn)行的4段斜極處理表明，斜極角度為1個(gè)定子齒距，相應(yīng)諧波得到了抑制;（5）將轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)提高至G2.5等級(jí)，可以抑制由轉(zhuǎn)子不平衡引起振動(dòng)可能性。

3 結(jié)語

本文針對(duì)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了磁場(chǎng)諧波分析和鐵芯靜態(tài)應(yīng)力計(jì)算。通過分析磁場(chǎng)密度的分布和總諧波畸變度的合理性，技術(shù)人員確認(rèn)該設(shè)計(jì)方案可行。通過對(duì)諧波進(jìn)行分解和定轉(zhuǎn)子的固有頻率進(jìn)行分析，可以預(yù)先找到可能發(fā)生共振的頻率。從理論設(shè)計(jì)出發(fā)，可以將樣機(jī)方案的缺陷進(jìn)行優(yōu)化，通過降低電機(jī)的振動(dòng)，可以縮短樣機(jī)制造周期，提高樣機(jī)試驗(yàn)通過率，降低樣機(jī)設(shè)計(jì)成本。

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