壓縮機用永磁無刷直流電機多物理場
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摘要：為了降低電動渦旋壓縮機的電機電磁噪聲，對于有外套的弧形磁片式轉(zhuǎn)子電機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，并對樣機進行了多物理場聯(lián)合仿真和實驗測試。通過仿真分析得到了內(nèi)置V型徑向式轉(zhuǎn)子電機在1000～6000r/min的6個轉(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場聲壓級瀑布圖，并在噪聲室通過汽車空調(diào)壓縮機噪聲測試運轉(zhuǎn)臺測試了樣機的振動及噪聲，將仿真的數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了基于ANSYSWorkbench平臺永磁無刷直流電機在多轉(zhuǎn)速下的耦合場分析的準確性。
關(guān)鍵詞：永磁無刷；直流電機；多物理場；多轉(zhuǎn)速；耦合分析
引言
電動壓縮機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，電動壓縮機的減振降噪顯得越來越重要。目前對于電動壓縮機的減振降噪研究已經(jīng)日趨成熟，電機本體機械振動動平衡技術(shù)顯著提高，使得電機的電磁噪聲也就相對突出。目前對電機電磁噪聲的控制，逐漸成為電動壓縮機減振降噪的研究熱點。唐娟等[1]對電動客車用永磁同步電機噪聲特性進行了研究，從電磁力角度分析電機在空載和額定工況下電機定子齒部徑向電磁力波的差異，才立忠等[2]研究了轉(zhuǎn)子分段斜極對電機振動噪聲的影響，李曉華等[3]研究了分數(shù)槽永磁同步電機的一般振動特性，理論分析了電機電磁力波的特征參數(shù)和諧波來源，周羽等[4]對開槽時永磁同步直流無刷電機的氣隙磁場進行了解析計算，柳剛等[5]通過模態(tài)分析研究了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對永磁同步電機振動噪聲的影響，通過模態(tài)分析、振動試驗、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]從電機噪聲的分類、產(chǎn)生機理、優(yōu)化措施3方面分析了永磁同步電機的NVH性能，牛超群[7]研究了永磁無刷直流電機定子槽型對轉(zhuǎn)矩脈動的影響，劉鵬等[8]對車用永磁同步電機振動噪聲研究做了一個概述，姚學松等[9]針對某一款永磁同步電機某一階次電磁噪聲進行了研究，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，目前對電動壓縮機用永磁電機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)子電機對電動壓縮機振動噪聲的影響，利用Workbench平臺實現(xiàn)了永磁無刷直流電機在多轉(zhuǎn)速多物理場的耦合仿真；為了驗證仿真結(jié)果的準確性，利用汽車空調(diào)壓縮機噪音測試運轉(zhuǎn)臺調(diào)節(jié)壓縮機穩(wěn)定在在國標工況（進口壓力：0.375MPa，出口壓力：1.492MPa），并在半消音室進行了振動噪聲測試。通過對比振動加速度數(shù)值，驗證了多轉(zhuǎn)速下多物理場耦合分析的可靠性。
1電機定轉(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建立的壓縮機定轉(zhuǎn)子模型如圖1所示。
2電機電磁力及其諧波分析
電機在正常工作時，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，從而帶動機殼振動而向外輻射噪聲[10]。圖2所示為電機定子齒部面力密度分布圖。由此看出，主磁通大致沿徑向進入氣隙，并在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力，同時其產(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為電機極對數(shù)；Z為電機槽數(shù)；
3電機耦合場分析
為了準確得到電機電磁力引起的噪聲振動結(jié)果，對電機定子及其殼體的裝配體進行網(wǎng)格剖分[15]。為了精確計算電機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)分析模塊進行電磁結(jié)構(gòu)的耦合分析，根據(jù)實驗室得出的振動頻域圖分析，得出電機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，然后對定子機殼進行網(wǎng)格劃分，圖4所示為電機定子殼體網(wǎng)格剖分圖。電機在1000～6000r/min的6個轉(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5000～6000r/min、1800～3000Hz頻率范圍內(nèi)能量輻射較大。為了分析電機的遠場噪聲水平，需要將諧響應(yīng)分析得到的電機定子機殼振動信息導入到HarmonicAcoustics進行耦合分析，圖6所示為電機1m處噪聲聲壓級瀑布圖。由圖不難看出電機在1800Hz頻率以下，電機轉(zhuǎn)速1000～6000r/min電磁噪聲變化平穩(wěn)，另外電機在5000r/min（523.35rad/s）轉(zhuǎn)速下2500Hz頻率噪聲貢獻值較大，電機在6000r/min（628.02rad/s）轉(zhuǎn)速下4200Hz噪聲貢獻值較大，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。為了對比樣機與原來電機的振動噪聲水平，并且驗證仿真結(jié)果的準確性，在半消音室平臺對樣機進行了實驗驗證，按照汽車空調(diào)用電動壓縮機國家標準JB/T12845-2016將加速度傳感器安裝在支架上，壓縮機測試環(huán)境如圖7所示。鑒于實驗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)計標準的情況下，將重點放在振動檢測。圖8所示為兩種電機在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。從而驗證了基于ANSYSWorkbench平臺永磁無刷直流電機在多轉(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，并對樣機在多個轉(zhuǎn)速的情況下進行了多物理場的耦合分析，并對仿真結(jié)果進行了實驗驗證，發(fā)現(xiàn)內(nèi)置V型徑向轉(zhuǎn)子式電機的階次頻率振動幅值明顯降低。主要結(jié)論如下：（1）電機電磁力主要作用在定子齒部，且主要是徑向力；（2）電機在5000r/min轉(zhuǎn)速時，5階振動加速度較為明顯，在6000r/min時，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
