電動機結構 - 扭矩波動來源

電機系統(tǒng)的特性會影響扭矩波動，其中包括電機的相數(shù)、電機的激勵頻率以及電機繞組的結構。在這些特性的綜合作用下會形成切向力，繼而產生扭矩波動和徑向力，引發(fā)定子噪聲。

電機的基礎激勵頻率有多種定義（包括扭矩和徑向力）。以下是常用等式：

Fex(Hz) = pN/60

其中p為極對數(shù)，N為轉速。在另一種定義中，p為極數(shù)而非極對數(shù)。

圖6 同步電動機運行的FFT顏色圖

圖6展示的是某系統(tǒng)中的扭矩波動示例，該系統(tǒng)由帶10個極對的簡單同步電機系統(tǒng)構成。在該系統(tǒng)中，轉子為強磁鐵，電機定子為金屬鐵，二者由微小氣隙隔開。徑向力和相對較小的切向力會引發(fā)定子振動和電機扭矩波動，而且隨著負載增大振動和扭矩波動會加劇。在本示例中基波頻率是在數(shù)據(jù)中能夠觀察到的、最明顯的是力函數(shù)，另外還可以觀察到其他幾個階次。這些階次是由于系統(tǒng)中的幾何結構和機械性、磁性和電流存在缺陷而產生的。

在汽車應用中扭矩波動會導致的不良影響

扭矩波動會影響車內駕駛員的聽覺感受和操作感受。究其原因在于，電機產生的扭矩波動會通過動力總成支架和懸架傳遞至車身。這些動態(tài)作用力輸入至車身后會引起噪聲、振動和抖動（低頻振動），這些問題都會被車內乘客所感知。為了將車輛與扭矩波動隔離，電機應在設計層面盡可能減少扭矩波動造成的影響，同時在設計電動機安裝策略和襯套速率時考慮扭矩波動問題。動態(tài)作用力演變?yōu)镹VH問題的程度取決于車身的承載結構和空中靈敏度?分別對應為P/F和P/Q傳遞函數(shù)。

NVH 案例研究1

模擬相同車輛使用不同電動機的情況

利用先進的仿真工具可以量化扭矩波動對類似車體結構上接收器位置的影響。借助混合CAE-測試模型可以模擬扭矩波動引起的噪聲特性。該混合模型包含由此前在CAE中計算的安裝力和源強度以及測得的測試數(shù)據(jù) - 用于在VI級NVH駕駛模擬器中創(chuàng)建可駕駛NVH模型。

圖7 通過將計算得出的聲源強度與測量車體靈敏度相結合生成NVH仿真模型

如圖7所示，通過計算開關磁阻電機和感應電機的強制函數(shù)（聲源強度Q和振動力F）并結合測量的車身靈敏度P/F和P/Q，可以對電機在車內乘員位置上產生的噪聲量進行建模。強制函數(shù)（安裝作用力，F(xiàn)）利用Romax Technology計算得出，聲源強度(Q)通過Actran計算得出。由此可以在不制造原型車的情況下評估擬用電動動力系統(tǒng)的NVH屬性。通過本案例研究您可以深入了解徑向力與扭矩波動之間的關系在某些情況下，扭矩波動可產生與徑向力類似的噪聲。從圖8中可以看出，開關磁阻電機的聲響比感應電機更大。開關磁阻電機在約300rpm時扭矩波動噪聲大于齒輪噪聲。該示例解釋了扭矩波動的重要影響，在某些情況下扭矩波動的影響如何等于或大于徑向力，以及車輛的乘客如何感知其造成的影響。

NVH 案例研究2

永磁牽引電動機

此前由Millbrook Revolutionary Engineering生產的一款汽車牽引電動機曾被懷疑存在不可接受的扭矩波動。為此其利用Genesis HighSpeed瞬態(tài)記錄儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及HBM推出的Perception軟件獲取了電氣數(shù)據(jù)和NVH數(shù)據(jù)，包括高電壓、電動機電流、扭矩輸出、麥克風信號和加速度計信號。在完成向下采樣和重采樣后還利用Brüel & Kj?r的BK connect軟件對信號進行了處理，采樣頻率為65,536個樣本/秒。接下來，該公司又在200 Nm處進行了掃描測量，了解了配置四個極對的電動機的性能。通過調查圖10)中所示的電流和電壓顏色圖可知，正如預期所料由于電機采用四個極對結構，因此出現(xiàn)了很明顯的四階數(shù)據(jù)。然而，該四階數(shù)據(jù)對扭矩波動的影響很小扭矩信號可以看作是340 Hz存在的共振，由此增加了幾階。在扭矩圖中觀察到階次的并非由電機的四個極對結構所產生，而是因電機中的其他物理部件（即主軸共振）所產生。

圖8 SRM電動機與IM電動機的徑向力及扭矩對比

圖9 硬件和軟件配置

將NVH與電力電子測量技術相結合有助于了解電動機的NVH性能。同時明確導致扭矩波動的諧振頻率。接下來是結合傳統(tǒng)NVH測試了解電動機結構和運行情況，確定共振來源以尋找減少扭矩波動的解決方案。

圖10 200Nm掃描電流電壓和扭矩顏色圖

引發(fā)扭矩波動的因素有很多，而且扭矩波動轉化為噪聲和振動的原理較為復雜。相關數(shù)據(jù)通過單一測量平臺即可獲取，并且從電氣過渡到旋轉、再到噪聲和振動，所有步驟均清晰透明，由此工程師能夠更快地解決問題。HBK提供各種產品和服務幫助用戶實現(xiàn)這些目標。