無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)振動(dòng)與噪聲的影響

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)振動(dòng)與噪聲的影響

0電機(jī)振動(dòng)的根源無(wú)刷直流機(jī)具有良好的功率密度、高效率和寬速范圍的特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。然而，無(wú)刷直流機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)脈使系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，這在一定程度上限制了無(wú)刷直流機(jī)的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)做了深入的研究,但針對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲進(jìn)行研究,分析其振動(dòng)的根源的文獻(xiàn)甚少。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲的原因很多,對(duì)電機(jī)而言,主要是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)包括定位力矩和電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng),成分比較復(fù)雜。定位力矩包括理想次數(shù)的成分和非理想次數(shù)的成分,電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的諧波成分也比較豐富。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的測(cè)量需要專門的設(shè)備,有時(shí)是困難的。因此通過振動(dòng)與噪聲的測(cè)試,分析振動(dòng)與噪聲信號(hào)的主要成份及其頻率,結(jié)合轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原理,可以進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的成分及其對(duì)系統(tǒng)的影響,為有效抑制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)提供更有效的依據(jù)。本文從原理上定性討論了永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定位力矩和電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問題,并針對(duì)電動(dòng)助力車電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,根據(jù)噪聲的頻率研究了引起電機(jī)振動(dòng)噪聲的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成分。通過定子齒冠開槽和采用正弦波驅(qū)動(dòng)方式減小了定位力矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng),有效地抑制了電機(jī)振動(dòng)與噪聲。1電機(jī)的動(dòng)兩部分無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)包括定位力矩和電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)兩部分。前者是指繞組開路時(shí),電機(jī)呈現(xiàn)的一種周期性轉(zhuǎn)矩波動(dòng),它總是試圖將轉(zhuǎn)子定位在某一位置;后者是電機(jī)通電時(shí)繞組電流與氣隙磁場(chǎng)作用產(chǎn)生力矩的波動(dòng)分量。1.1電機(jī)的定位特性定位力矩是永磁類電機(jī)的固有特性,主要成分是齒槽力矩,其本質(zhì)是由于定子開槽引起磁阻不均勻,導(dǎo)致磁能隨著轉(zhuǎn)子位置變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。定位力矩是周期性變化的,分為理想和非理想定位力矩。理想定位力矩次數(shù)與極數(shù)和齒槽數(shù)有關(guān)。電機(jī)每轉(zhuǎn)一周,定位力矩的波動(dòng)次數(shù)v為:v=2pZC(1)v=2pΖC(1)式中:p為極對(duì)數(shù);Z為定子齒數(shù);C為2p與Z的最大公約數(shù)。非理想定位力矩包括定子缺陷產(chǎn)生的每周2p及其倍數(shù)次和轉(zhuǎn)子缺陷產(chǎn)生的Z及其倍數(shù)次定位力矩。本文以電動(dòng)助力車電機(jī)為對(duì)象進(jìn)行了定位力矩的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)基本參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)定定位力矩波形如圖1所示。該電機(jī)的定位力矩主要成分的次數(shù)為每轉(zhuǎn)90次,主要是理想定位力矩,頻率為繞組電流頻率的18倍。定位力矩的單峰值為0.49N·m,約為樣機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的5%。1.2電機(jī)的電磁扭矩特性在實(shí)際電機(jī)中,繞組反電動(dòng)勢(shì)很難實(shí)現(xiàn)平頂形波。盡管繞組外加方波電壓,電流也不是平頂波。同時(shí),繞組中存在電感,換向時(shí)電流存在過渡過程,因此,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不是恒定的,存在較大的力矩波動(dòng)。圖2為Y形接法、三相六狀態(tài)方波驅(qū)動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形。電磁轉(zhuǎn)矩含有頻率為電流基波頻率6倍數(shù)次的轉(zhuǎn)矩波動(dòng),主要為6倍次的轉(zhuǎn)矩波動(dòng),波動(dòng)幅值較大。電機(jī)負(fù)載工作時(shí),定位力矩相對(duì)較小,已經(jīng)不是振動(dòng)與噪聲的主要來(lái)源,負(fù)載時(shí)電機(jī)振動(dòng)噪聲主要來(lái)源于電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析定位力矩和電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)都是按照其固有的規(guī)律變化的,不同頻率的成分都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生影響,一定頻率的噪聲對(duì)應(yīng)一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成分。通過對(duì)噪聲頻率的分析,可以確定噪聲產(chǎn)生的根源,為抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲提供依據(jù)。因此為分析電機(jī)振動(dòng)噪聲的來(lái)源,對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中,電機(jī)在空載或帶負(fù)載運(yùn)行,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,在某轉(zhuǎn)速下,電機(jī)將產(chǎn)生明顯的振動(dòng)與噪聲,此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率接近機(jī)械系統(tǒng)的諧振頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3a為電機(jī)空載運(yùn)行于110r/min時(shí)的噪聲信號(hào)波形,聽覺上表現(xiàn)為嘯叫,噪聲幅值達(dá)71.2dB。在一個(gè)電流周期噪聲信號(hào)出現(xiàn)18次波動(dòng),主要成分的頻率為165Hz。圖3b為負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.5N·m、轉(zhuǎn)速為326r/min時(shí)的噪聲信號(hào)波形,噪聲幅值達(dá)70.6dB。在一個(gè)電流周期噪聲信號(hào)出現(xiàn)6次波動(dòng),主要成分的頻率為163Hz。圖3c為負(fù)載轉(zhuǎn)矩為9N·m、轉(zhuǎn)速為246r/min時(shí)的噪聲信號(hào)波形,噪聲幅值為62dB。噪聲信號(hào)波動(dòng)頻率與電流基波頻率沒有明顯的關(guān)系。根據(jù)理論分析與計(jì)算結(jié)果,6倍次轉(zhuǎn)矩紋波為電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要成分,只有在6倍次轉(zhuǎn)矩紋波的頻率與機(jī)械系統(tǒng)諧振頻率(根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定,機(jī)械系統(tǒng)的諧振頻率在160Hz附近)接近時(shí)(圖3a、圖3b),系統(tǒng)才發(fā)生共振。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析表明:在空載情況下,該電機(jī)噪聲頻率為電流頻率的18倍,即每旋轉(zhuǎn)一周變化90次,所以噪聲主要來(lái)源于定位力矩;在負(fù)載情況下,噪聲主要來(lái)源于電磁轉(zhuǎn)矩中的6次波動(dòng)。雖然定位力矩波動(dòng)的幅值遠(yuǎn)小于電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的幅值,但測(cè)試結(jié)果表明電機(jī)空載時(shí)的噪聲大于負(fù)載時(shí)的噪聲。這是由于噪聲的大小不但與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有關(guān),還與機(jī)械系統(tǒng)的固有特性有關(guān)。為減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),抑制電機(jī)振動(dòng)和噪聲,必須減小定位力矩和電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。3振動(dòng)耦合和振動(dòng)噪聲的抑制3.1轉(zhuǎn)子齒冠開槽測(cè)量定位力矩的抑制有很多種方法,如極槽配合法、磁極優(yōu)化法、斜極、斜槽、閉口槽法等,但這些方法通常會(huì)受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制。由于齒槽的作用主要是槽口的作用,在定子齒冠上開槽等效于在原有的齒槽力矩基礎(chǔ)上附加一個(gè)齒槽力矩,如果在齒冠的適當(dāng)位置開槽,使附加的齒槽力矩與原有齒槽力矩相位相差180°電角度,則電機(jī)的齒槽力矩將得到最大限度的抑制。定子齒冠開槽后,實(shí)測(cè)定位力矩的幅值得到降低(如圖4所示),單峰值為0.16N·m,與開槽前相比,減小約70%。電機(jī)空載運(yùn)行于110r/min時(shí),噪聲信號(hào)波形如圖5所示,噪聲幅值為61.4dB,空載時(shí)的振動(dòng)與噪聲得到了有效的抑制。3.2電機(jī)噪聲測(cè)試由于采用表面式瓦形磁鋼,相反電動(dòng)勢(shì)諧波成分以三次為主,但由于采用無(wú)中線的Y形連接,線反電動(dòng)勢(shì)中無(wú)三次諧波成分。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)主要是5次諧波電勢(shì)和電流產(chǎn)生的6次波動(dòng)分量,其他高次諧波成分影響相對(duì)較小。理論上,電機(jī)采用正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí),不存在電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。由于助力車電機(jī)不易外加旋轉(zhuǎn)變壓器等復(fù)雜位置傳感器,本文設(shè)計(jì)了以開關(guān)霍爾為位置傳感器的正弦波驅(qū)動(dòng)控制器,對(duì)電機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn),電機(jī)運(yùn)行于326r/min時(shí)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形如圖6所示。采用正弦波驅(qū)動(dòng)后,電機(jī)噪聲幅值為56.8dB,得到明顯的削弱。4電機(jī)振動(dòng)噪聲主要來(lái)源(1)基于噪聲測(cè)試分析電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題是行之有效的方法。針對(duì)噪聲主要成份的頻率與電機(jī)電流頻率的關(guān)系,可以準(zhǔn)確地確定電機(jī)振動(dòng)與噪聲的來(lái)源。(2)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí),噪聲主要成份的頻率與定位力矩頻率相一致,因此空載時(shí)的噪聲主要來(lái)源于電機(jī)的定位力矩。電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí),電磁