壓縮機(jī)用永磁無刷直流電機(jī)多物理場

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摘要：為了降低電動渦旋壓縮機(jī)的電機(jī)電磁噪聲，對于有外套的弧形磁片式轉(zhuǎn)子電機(jī)在中低頻電磁噪聲較為明顯的情況，提出采用內(nèi)置V型徑向式轉(zhuǎn)子電機(jī)，并對樣機(jī)進(jìn)行了多物理場聯(lián)合仿真和實(shí)驗(yàn)測試。通過仿真分析得到了內(nèi)置V型徑向式轉(zhuǎn)子電機(jī)在1000～6000r/min的6個(gè)轉(zhuǎn)速下的多物理場的振動等效輻射聲功率瀑布圖以及噪聲的遠(yuǎn)場聲壓級瀑布圖，并在噪聲室通過汽車空調(diào)壓縮機(jī)噪聲測試運(yùn)轉(zhuǎn)臺測試了樣機(jī)的振動及噪聲，將仿真的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了基于ANSYSWorkbench平臺永磁無刷直流電機(jī)在多轉(zhuǎn)速下的耦合場分析的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：永磁無刷；直流電機(jī)；多物理場；多轉(zhuǎn)速；耦合分析

引言

電動壓縮機(jī)作為新能源汽車制冷系統(tǒng)的心臟，其各方面的性能在市場競爭中都占據(jù)著極其重要的地位。為了滿足人們對于乘車舒適性越來越高的要求，電動壓縮機(jī)的減振降噪顯得越來越重要。目前對于電動壓縮機(jī)的減振降噪研究已經(jīng)日趨成熟，電機(jī)本體機(jī)械振動動平衡技術(shù)顯著提高，使得電機(jī)的電磁噪聲也就相對突出。目前對電機(jī)電磁噪聲的控制，逐漸成為電動壓縮機(jī)減振降噪的研究熱點(diǎn)。唐娟等[1]對電動客車用永磁同步電機(jī)噪聲特性進(jìn)行了研究，從電磁力角度分析電機(jī)在空載和額定工況下電機(jī)定子齒部徑向電磁力波的差異，才立忠等[2]研究了轉(zhuǎn)子分段斜極對電機(jī)振動噪聲的影響，李曉華等[3]研究了分?jǐn)?shù)槽永磁同步電機(jī)的一般振動特性，理論分析了電機(jī)電磁力波的特征參數(shù)和諧波來源，周羽等[4]對開槽時(shí)永磁同步直流無刷電機(jī)的氣隙磁場進(jìn)行了解析計(jì)算，柳剛等[5]通過模態(tài)分析研究了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對永磁同步電機(jī)振動噪聲的影響，通過模態(tài)分析、振動試驗(yàn)、頻譜分析研究了兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對振動噪聲的影響，馬龍等[6]從電機(jī)噪聲的分類、產(chǎn)生機(jī)理、優(yōu)化措施3方面分析了永磁同步電機(jī)的NVH性能，牛超群[7]研究了永磁無刷直流電機(jī)定子槽型對轉(zhuǎn)矩脈動的影響，劉鵬等[8]對車用永磁同步電機(jī)振動噪聲研究做了一個(gè)概述，姚學(xué)松等[9]針對某一款永磁同步電機(jī)某一階次電磁噪聲進(jìn)行了研究，對比4種優(yōu)化方案，最終削弱了電磁噪聲以及嘯叫聲。綜上可見，目前對電動壓縮機(jī)用永磁電機(jī)振動噪聲的研究還比較少。為了分析內(nèi)置V型徑向式轉(zhuǎn)子電機(jī)對電動壓縮機(jī)振動噪聲的影響，利用Workbench平臺實(shí)現(xiàn)了永磁無刷直流電機(jī)在多轉(zhuǎn)速多物理場的耦合仿真；為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用汽車空調(diào)壓縮機(jī)噪音測試運(yùn)轉(zhuǎn)臺調(diào)節(jié)壓縮機(jī)穩(wěn)定在在國標(biāo)工況（進(jìn)口壓力：0.375MPa，出口壓力：1.492MPa），并在半消音室進(jìn)行了振動噪聲測試。通過對比振動加速度數(shù)值，驗(yàn)證了多轉(zhuǎn)速下多物理場耦合分析的可靠性。

1電機(jī)定轉(zhuǎn)子模型及其參數(shù)

為了建模方便，本文采用RMxprt一鍵有限元建模功能建立永磁無刷直流電機(jī)定轉(zhuǎn)子模型，主要參數(shù)如表1所示。根據(jù)表1建立的壓縮機(jī)定轉(zhuǎn)子模型如圖1所示。

2電機(jī)電磁力及其諧波分析

電機(jī)在正常工作時(shí)，電磁力作用在定、轉(zhuǎn)子間的氣隙中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波或脈動動力波，使定子產(chǎn)生振動，從而帶動機(jī)殼振動而向外輻射噪聲[10]。圖2所示為電機(jī)定子齒部面力密度分布圖。由此看出，主磁通大致沿徑向進(jìn)入氣隙，并在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力，同時(shí)其產(chǎn)生切向力矩和軸向力[11]，顯然徑向力所引起的振動是永磁無刷直流電機(jī)產(chǎn)生電磁振動和噪聲的主要原因。由麥克斯韋張量法，作用于定子鐵心表面單位面積的徑向電磁力波為：式中：fr為徑向電磁力密度，N/m2;Br、Bt分別為氣隙磁密的徑向分量和切向分量，T；BRδ、BSδ分別為轉(zhuǎn)子永磁磁密和定子電樞反應(yīng)磁密的徑向分量，T；μ0為真空磁導(dǎo)率，大小為4π×10-7H/m[12]。徑向電磁力主要分為3類：永磁磁場相互作用產(chǎn)生的徑向電磁力；永磁磁場與電樞反應(yīng)磁場相互作用產(chǎn)生的徑向電磁力；電樞反應(yīng)磁場相互作用產(chǎn)生的徑向電磁力[13]。具體解析式如表2所示。表中：χR為永磁磁場的諧波次數(shù)，其值為2mr+1（mr=0，1，2…）；χS為電樞反應(yīng)磁場諧波次數(shù)，其值為6ms±1（ms=0，1，2…）；P為電機(jī)極對數(shù)；Z為電機(jī)槽數(shù)；

3電機(jī)耦合場分析

為了準(zhǔn)確得到電機(jī)電磁力引起的噪聲振動結(jié)果，對電機(jī)定子及其殼體的裝配體進(jìn)行網(wǎng)格剖分[15]。為了精確計(jì)算電機(jī)電磁力在定子上的分布情況，將定子齒部分割出來，圖3所示為外部CAD導(dǎo)入Maxwell并分割定子齒部的二維示意圖。由圖2可以明顯看出，在定子齒部的電磁力主要是徑向力。如此將定子齒部徑向力加載到Workbench中的諧響應(yīng)分析模塊進(jìn)行電磁結(jié)構(gòu)的耦合分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室得出的振動頻域圖分析，得出電機(jī)電磁力及其諧波引起的振動噪聲主要集中在中低頻，因此主要在0～5000Hz頻率下進(jìn)行掃頻分析。為了將Maxwell分析得到的徑向電磁力無縫耦合到諧響應(yīng)分析模塊，將網(wǎng)格單元限制在0.75mm以內(nèi)，具體邊界條件設(shè)置如表3所示，然后對定子機(jī)殼進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖4所示為電機(jī)定子殼體網(wǎng)格剖分圖。電機(jī)在1000～6000r/min的6個(gè)轉(zhuǎn)速下的等效輻射聲功率瀑布圖，求解結(jié)果如圖5所示。分析可知，電機(jī)5000～6000r/min、1800～3000Hz頻率范圍內(nèi)能量輻射較大。為了分析電機(jī)的遠(yuǎn)場噪聲水平，需要將諧響應(yīng)分析得到的電機(jī)定子機(jī)殼振動信息導(dǎo)入到HarmonicAcoustics進(jìn)行耦合分析，圖6所示為電機(jī)1m處噪聲聲壓級瀑布圖。由圖不難看出電機(jī)在1800Hz頻率以下，電機(jī)轉(zhuǎn)速1000～6000r/min電磁噪聲變化平穩(wěn)，另外電機(jī)在5000r/min（523.35rad/s）轉(zhuǎn)速下2500Hz頻率噪聲貢獻(xiàn)值較大，電機(jī)在6000r/min（628.02rad/s）轉(zhuǎn)速下4200Hz噪聲貢獻(xiàn)值較大，通過表2可以得到2500Hz對應(yīng)徑向電磁力5倍頻，4200Hz對應(yīng)徑向電磁力7倍頻。為了對比樣機(jī)與原來電機(jī)的振動噪聲水平，并且驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在半消音室平臺對樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，按照汽車空調(diào)用電動壓縮機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)JB/T12845-2016將加速度傳感器安裝在支架上，壓縮機(jī)測試環(huán)境如圖7所示。鑒于實(shí)驗(yàn)室噪聲檢測儀采樣頻率最精確只有0.01s，在整體噪聲水平滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，將重點(diǎn)放在振動檢測。圖8所示為兩種電機(jī)在5000r/min（523.35rad/s）轉(zhuǎn)速下的振動頻域?qū)Ρ葓D，不難看出在2500Hz（對應(yīng)徑向電磁力5倍頻）頻率下振動由3.6m/s2降低為1.5m/s2。圖9所示為兩種電機(jī)在6000r/min（628.02rad/s）轉(zhuǎn)速下的振動頻域?qū)Ρ葓D，可以發(fā)現(xiàn)其在4200Hz（對應(yīng)徑向電磁力7倍頻）頻率下振動由2.4m/s2降低為1.0m/s2。從而驗(yàn)證了基于ANSYSWorkbench平臺永磁無刷直流電機(jī)在多轉(zhuǎn)速下的耦合場分析的可靠性。

4結(jié)束語

本文針對本公司電動壓縮機(jī)中低頻電磁噪聲較為突出的問題，提出采用內(nèi)置V型徑向式轉(zhuǎn)子電機(jī)，并對樣機(jī)在多個(gè)轉(zhuǎn)速的情況下進(jìn)行了多物理場的耦合分析，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)內(nèi)置V型徑向轉(zhuǎn)子式電機(jī)的階次頻率振動幅值明顯降低。主要結(jié)論如下：（1）電機(jī)電磁力主要作用在定子齒部，且主要是徑向力；（2）電機(jī)在5000r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，5階振動加速度較為明顯，在6000r/min時(shí)，7階振動加速度較為明顯，從而表明這兩種轉(zhuǎn)速下定子機(jī)殼振動輻射噪聲水平較高；（3）內(nèi)置V型徑向式轉(zhuǎn)子電機(jī)對于改善以上階次噪聲效果較為明顯。

作者：白俊昭 柏興旺 李春銀 俞雪奇 王卓睿 單位：南華大學(xué)