电动汽车用电机噪声分析和降噪方法初探
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万方数据
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微电机!%((*年!第#U卷!第-期 (总第’$,期)
根据电磁铁线圈上的电流和电压信号检测转子 位移主要有两类方法!一是参数估计法"将磁轴承 和转子间的气隙看成是轴承和功率放大器的时变参 数#另外一个是将磁轴承和转子看成一个整体"位 移不是一个参数"而是一种状态$一般思路是设计 了一套信号处理器"对电磁铁线圈上的电流和电压 信号进行解调"从而得到转子的位移信号$
本文主要从理论上分析电动汽车用电机产生噪 声的一般原因"提出了降低噪声的一般措施&
B!电机系统简介
不同于工业电机"用于电动汽车的驱动电机通 常要求能够频繁起动’停车’加速’减速"低速或
! !收稿日期!%((*)(,)%* * *% 万*方数据
爬坡时要求高转矩"高速行驶时要求低转矩"宽的 调速范围&因 此" 对 电 动 汽 车 驱 动 电 机 要 求 主 要 有 $ (-)
车电机中!它与电磁噪声紧密相关"因为一旦有结 构振动!就会影响电磁场(同时由于电磁力的存在 也会改变结构件的振动频率和幅值"机械噪声一般 随转速和负载电流的增大而增大!在高速情况下成 为电机噪声的主要部分!包括轴承#电刷和结构共 振引起的噪声"
电机中采用的轴承有滚动轴承和滑动轴承两种" 滑动轴承一般用于微型电机和大型电机!噪声相对 较低(滚动轴承 可 靠 性 高# 维 护 简 单# 承 载 大! 但 其运行噪声较大!常成为电机的主要噪声源"
#%磁 通 振 荡 噪 声 ! 在 直 流 电 机 中 ! 由 于 电 枢 齿 距与补偿绕组节距选择和配合不当!以及主磁极极 弧宽度与电枢齿距配合不当!都将产生电磁噪声" 这主要是磁通在电枢和极靴表面的横向振荡!以及 极靴边侧磁通在电枢表面横向振荡的结果!与电机 负荷及转速有关"这种噪声有时表现为很强烈的嗡 嗡声"低速电机因开口槽而产生类似锤击的声音"
微电机!%((*年!第#U卷!第-期 !总第’$,期#
中 图 分 类 号 !!"#,# !"#+’ !"#$%! ! ! ! ! ! 文 献 标 识 码 !&! ! ! ! ! ! 文 章 编 号 !’((’)*+,+"%((*#(-)((*%)(%
电动汽车用电机噪声分析和降噪方法初探
王再宙!宋!强!张承宁
N!结束语
未来几十年里"磁轴承作为新一代支撑部件"
将以其显著的性能优势"逐步取代传统滚动轴承% 滑动轴承和油膜轴承$目前"磁轴承发展的瓶颈主 要是价格因素"随着控制技术%材料%转子动力学 等各领域研究的逐步深入"技术的日趋成熟"价格 将会逐步降低"磁轴承必将作为成熟的产品全面推 向市场$
参考文献
&’’!汪希平R电磁 轴 承 系 统 的 参 数 设 计 与 应 用 研 究 &.’R 西 安 交 通 大 学 "’UU,R
种"涡流噪声主要是由转子和风扇引起冷却空气湍 流在旋转表面交替出现涡流引起的!其频谱范围较 广"笛鸣噪声是通过压缩空气!或空气在固定障碍 物 上 擦 过 而 产 生 的 ! 即 &口 哨 效 应 ’" 电 机 内 的 笛 鸣 噪声主要是径向通风沟引起的"旋转电机的空气动 力噪声是不可避免的!它与转子表面圆周速度#表 面形状!风扇空气动力特性和突起的零部件形状有 关"空气动力噪声是由随轴一起旋转的冷却风扇造 成空气流动形成的噪声"它们与转速#风扇与转子 的形状#粗糙度#不平衡量及气流的风道截面的变 化和风道形状有关!分为宽频噪声和离散噪声"
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现在电机采用内置式双风扇结构!同时采用了 不等节距叶片结构!降低离散噪声峰值!因此风扇 噪声比其它噪声小很多"大多数情况下!电机中的 空气动力性噪声源是风扇"
E!降噪措施
降低电动汽车用电机系统噪声首要考虑降低电 磁噪声!其次是机械结构噪声"降低电磁噪声的方 法有$
’%合 理 设 计 爪 极 ! 形 成 正 弦 励 磁 场 ! 减 少 谐 波 成份(
’%铁 心 饱 和 的 影 响 ! 当 铁 心 饱 和 时 ! 会 使 磁 场 正弦分布的顶部变得平坦!在磁场分布中加大了# 次谐波的分量!使电磁噪声增加"
%%开 口 槽 的 影 响 ! 定 # 转 子 槽 都 是 开 口 的 ! 气 隙磁导在旋转时是变化和波动的"气隙磁场中出现 了 很 多 在 基 波 磁 势 作 用 下 产 生 的 &槽 开 口 波 ’" 它 们 与气隙和槽开口大小有关!气隙越小!槽口越宽! 幅值越大"
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C!电机系统噪声的组成
CDB! 电 磁 噪 声 电磁噪声是电动汽车噪声的主要成份&它通过
磁轭向外传播&气隙磁波作用在定子铁心齿上&产 生径向和切向磁力两个分量"使定子铁心产生的振 动变形的径向分量是电磁噪声的主要来源"使齿根 部弯曲产生局部变形的切向分量是电磁噪声的次要 来源&当径向电磁力波与定子的固有频率接近时"
湖 南 文 理 学 院 学 报 "%(($R &$’! 张钢R磁悬浮支承技术在机床中的应用&2’R优必胜中国"%(((R &*’!何钦象"刘!颖R磁浮轴承 [ 转 子 系 统 非 线 性 动 态 特 性 分 析
&2’R 应 用 力 学 学 报 "%((,R
作 者 简 介 ! 李 会 栓 (’U-%[ )" 男 " 河 北 人 " 工 程 师 " 学 士 " 主 要从事伺服电机生产制造及管理工作$
由于线圈偏磁磁场是恒定不变的静磁场"主要 靠线圈产生的控制磁场来平衡外干扰的作用$故可 用永久磁铁来取代偏磁线圈提供静磁场构成混合磁 轴承"其优点是体积小%重量轻功率损耗小"特别 适用于航空领域$
超导磁 轴 承 的 体 积 很 小" 却 有 很 大 的 承 载 能 力$这方面的研究进展在很大程度上依赖于超导材 料 的 进 展 $ 进 入 %’ 世 纪 " 高 温 超 导 陶 瓷 材 料 的 研 究 取得了很大突破"如 ":b%近,(e 的超导电性"预 示着超导磁轴承的研究有望随之而产生较大的进展$
电动汽车用电机噪声分析和降噪方法初探!王再宙!宋!强!张承宁
就会引起共振!使振动与噪声大大增强" 电机在运行时!气隙磁场是一个旋转的力波!
其产生的电磁力是交变的"气隙磁场中除了主磁通 外!还有很多 次 的 谐 波 分 量" 它 们 的 频 率 往 往 与 齿#槽数成倍数关系"因此电磁噪声中不但有%倍 于电源频率的主磁通引起的噪声外!主要是谐波磁 通产生的频率较高的噪声"产生电磁噪声的其他原 因有$
!北 京 理 工 大 学 机 械 与 车 辆 工 程 学 院 " 北 京 !’(((+’#
摘!要!电动汽车用电机系统因运行状况的不同特点而区别于一般电机系统!文章主要叙述了电 动汽车用电机系统的要求!为了更好发挥电动汽车环保作用"对电机系统进行了噪声分析"并对 降低噪声的方法进行了初步探讨! 关键词!电动汽车#直流电动机#交流电动机#开关磁阻电动机#噪声
Байду номын сангаас
A!引!言
电动汽车要求电动机在稳定运行时电流较小" 在满负荷运行的情况下起动转矩较大&电机系统与 电动汽车的动力性’经济性’安全性以及噪声振动 等密切相关&所以电动汽车用电机系统必须高效区 宽’功率密度和转矩密度大’调速范围宽’低速重 载性能好’ 可 靠 性 高’ 噪 声 低 & (’)%) 高 转 速 和 高 功 率的时候"电动汽车用电机系统噪声问题越来越引 起人们的强烈关注"因此对电机系统的噪声进行研 究分析和测量非常必要&以往研究主要集中在对内 燃机车辆中的电机或者是其他工业用途电机进行噪 声分析 " (#)*) 有关 电 动 汽 车 用 电 机 系 统 噪 声 的 分 析 目前还未见报道&
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA (上 接 第 *# 页 )
力的振动频率#
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%)电机端盖与定子铁心之间加装弹性联接结构# #)加 阻 尼 措 施 " 增 强 电 机 结 构 阻 尼 能 力 $
%%选 择 适 当 的 气 隙 磁 密 ( #%选 择 合 适 的 槽 配 合 ! 避 免 出 现 低 次 力 波 ( ,%定 # 转 子 碰 路 对 称 均 匀 ! 迭 压 紧 密 ! 特 别 是 定子线圈与定子之间要固定牢靠( $%定 # 转 子 加 工 与 装 配 应 注 意 圆 度 与 同 轴 度 " 降低结构噪声的方法$保证很好的转子动平衡 度!在采用转子去重法达到动平衡时应尽量将所有 结构件都包含进去" 特 别 对 采 用 了 不 等 距 风 扇 )一 般是钢风扇%情况! 在 做 动 平 衡 时 应 将 风 扇 包 括 进 去" 减小和隔离结构振动的方法有$ ’%使主 要 结 构 件 的 固 有 频 率 偏 离 主 激 振 力 频 率!特别使结构件的共振动频率远离高阶电磁激振
&%’! 谢 友 柏 R 磁 轴 承 原 理 &"’R 北 京 ! 科 学 出 版 社 "’UU+R &#’!蒋大明"戴胜华R自动 控 制 原 理 &"’R 北 京! 清 华 大 学 出 版
社 "%((#R &,’!郭! 力" 李 ! 波R 超 高 速 数 控 精 密 磨 床 磁 浮 主 轴 单 元 设 计R
,%气 隙 动 态 偏 心 ! 气 隙 偏 心 造 成 磁 导 沿 圆 周 产 生周期性变化!从而使基波磁势增加了一个谐波分 量"
CDC! 机 械 噪 声 机械噪声 主 要 是 指 电 机 运 转 时 产 生 的 轴 承 噪
声!转子系统不平衡力产生的振动及噪声" 机械噪声是任何运动件无法避免的噪声!在汽
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转子动平 衡 不 好 是 产 生 机 械 噪 声 最 常 见 的 原 因"其频率和旋转频率相同!是低频噪声"安装不
良!定#转子部件固有频率和旋转频率一致时也会 产生机械噪声"转子的振动和轴承的振动往往是通 过端盖传递到底座和支承上!但当端盖的轴向刚性 较差时!端盖受激而产生轴向振动和噪声"
CDE! 空 气 动 力 噪 声 电机的空气动力噪声有涡流噪声和笛鸣噪声两
!’#需 要 有 #"$ 倍 的 过 载 能 力 " 满 足 短 时 加 速 行驶和最大爬坡度的要求%
!%#最 高 转 速 是 巡 航 时 基 速 的 ,"$ 倍 % !##在 较 宽 的 转 速 和 转 矩 范 围 都 有 较 高 的 效 率 % !,#可控 性 好" 稳 态 精 度 高" 动 态 性 能 好" 工 作可靠& 电动汽车按照使用的牵引电机类型"可以划分 为直流驱动系统和交流驱动系统&交流驱动系统一 般采用感应电动机’永磁同步电机和开关磁阻电动 机 & (+[U)
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参考文献
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根据电磁铁线圈上的电流和电压信号检测转子 位移主要有两类方法!一是参数估计法"将磁轴承 和转子间的气隙看成是轴承和功率放大器的时变参 数#另外一个是将磁轴承和转子看成一个整体"位 移不是一个参数"而是一种状态$一般思路是设计 了一套信号处理器"对电磁铁线圈上的电流和电压 信号进行解调"从而得到转子的位移信号$
本文主要从理论上分析电动汽车用电机产生噪 声的一般原因"提出了降低噪声的一般措施&
B!电机系统简介
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车电机中!它与电磁噪声紧密相关"因为一旦有结 构振动!就会影响电磁场(同时由于电磁力的存在 也会改变结构件的振动频率和幅值"机械噪声一般 随转速和负载电流的增大而增大!在高速情况下成 为电机噪声的主要部分!包括轴承#电刷和结构共 振引起的噪声"
电机中采用的轴承有滚动轴承和滑动轴承两种" 滑动轴承一般用于微型电机和大型电机!噪声相对 较低(滚动轴承 可 靠 性 高# 维 护 简 单# 承 载 大! 但 其运行噪声较大!常成为电机的主要噪声源"
#%磁 通 振 荡 噪 声 ! 在 直 流 电 机 中 ! 由 于 电 枢 齿 距与补偿绕组节距选择和配合不当!以及主磁极极 弧宽度与电枢齿距配合不当!都将产生电磁噪声" 这主要是磁通在电枢和极靴表面的横向振荡!以及 极靴边侧磁通在电枢表面横向振荡的结果!与电机 负荷及转速有关"这种噪声有时表现为很强烈的嗡 嗡声"低速电机因开口槽而产生类似锤击的声音"
微电机!%((*年!第#U卷!第-期 !总第’$,期#
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电动汽车用电机噪声分析和降噪方法初探
王再宙!宋!强!张承宁
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未来几十年里"磁轴承作为新一代支撑部件"
将以其显著的性能优势"逐步取代传统滚动轴承% 滑动轴承和油膜轴承$目前"磁轴承发展的瓶颈主 要是价格因素"随着控制技术%材料%转子动力学 等各领域研究的逐步深入"技术的日趋成熟"价格 将会逐步降低"磁轴承必将作为成熟的产品全面推 向市场$
参考文献
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E!降噪措施
降低电动汽车用电机系统噪声首要考虑降低电 磁噪声!其次是机械结构噪声"降低电磁噪声的方 法有$
’%合 理 设 计 爪 极 ! 形 成 正 弦 励 磁 场 ! 减 少 谐 波 成份(
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C!电机系统噪声的组成
CDB! 电 磁 噪 声 电磁噪声是电动汽车噪声的主要成份&它通过
磁轭向外传播&气隙磁波作用在定子铁心齿上&产 生径向和切向磁力两个分量"使定子铁心产生的振 动变形的径向分量是电磁噪声的主要来源"使齿根 部弯曲产生局部变形的切向分量是电磁噪声的次要 来源&当径向电磁力波与定子的固有频率接近时"
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超导磁 轴 承 的 体 积 很 小" 却 有 很 大 的 承 载 能 力$这方面的研究进展在很大程度上依赖于超导材 料 的 进 展 $ 进 入 %’ 世 纪 " 高 温 超 导 陶 瓷 材 料 的 研 究 取得了很大突破"如 ":b%近,(e 的超导电性"预 示着超导磁轴承的研究有望随之而产生较大的进展$
电动汽车用电机噪声分析和降噪方法初探!王再宙!宋!强!张承宁
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其产生的电磁力是交变的"气隙磁场中除了主磁通 外!还有很多 次 的 谐 波 分 量" 它 们 的 频 率 往 往 与 齿#槽数成倍数关系"因此电磁噪声中不但有%倍 于电源频率的主磁通引起的噪声外!主要是谐波磁 通产生的频率较高的噪声"产生电磁噪声的其他原 因有$
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电动汽车要求电动机在稳定运行时电流较小" 在满负荷运行的情况下起动转矩较大&电机系统与 电动汽车的动力性’经济性’安全性以及噪声振动 等密切相关&所以电动汽车用电机系统必须高效区 宽’功率密度和转矩密度大’调速范围宽’低速重 载性能好’ 可 靠 性 高’ 噪 声 低 & (’)%) 高 转 速 和 高 功 率的时候"电动汽车用电机系统噪声问题越来越引 起人们的强烈关注"因此对电机系统的噪声进行研 究分析和测量非常必要&以往研究主要集中在对内 燃机车辆中的电机或者是其他工业用途电机进行噪 声分析 " (#)*) 有关 电 动 汽 车 用 电 机 系 统 噪 声 的 分 析 目前还未见报道&
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转子动平 衡 不 好 是 产 生 机 械 噪 声 最 常 见 的 原 因"其频率和旋转频率相同!是低频噪声"安装不
良!定#转子部件固有频率和旋转频率一致时也会 产生机械噪声"转子的振动和轴承的振动往往是通 过端盖传递到底座和支承上!但当端盖的轴向刚性 较差时!端盖受激而产生轴向振动和噪声"
CDE! 空 气 动 力 噪 声 电机的空气动力噪声有涡流噪声和笛鸣噪声两
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