電動機(jī)結(jié)構(gòu) - 扭矩波動來源

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

電機(jī)的基礎(chǔ)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(zhuǎn)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(jī)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(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。在該系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子為強磁鐵，電機(jī)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(jī)扭矩波動，而且隨著負(fù)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(jié)構(gòu)和機(jī)械性、磁性和電流存在缺陷而產(chǎn)生的。

在汽車應(yīng)用中扭矩波動會導(dǎo)致的不良影響

扭矩波動會影響車內(nèi)駕駛員的聽覺感受和操作感受。究其原因在于，電機(jī)產(chǎn)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(nèi)乘客所感知。為了將車輛與扭矩波動隔離，電機(jī)應(yīng)在設(shè)計層面盡可能減少扭矩波動造成的影響，同時在設(shè)計電動機(jī)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(jié)構(gòu)和空中靈敏度?分別對應(yīng)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(jī)的情況

利用先進(jìn)的仿真工具可以量化扭矩波動對類似車體結(jié)構(gòu)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(jié)合生成NVH仿真模型

如圖7所示，通過計算開關(guān)磁阻電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)的強制函數(shù)（聲源強度Q和振動力F）并結(jié)合測量的車身靈敏度P/F和P/Q，可以對電機(jī)在車內(nèi)乘員位置上產(chǎn)生的噪聲量進(jìn)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(guān)系在某些情況下，扭矩波動可產(chǎn)生與徑向力類似的噪聲。從圖8中可以看出，開關(guān)磁阻電機(jī)的聲響比感應(yīng)電機(jī)更大。開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)

此前由Millbrook Revolutionary Engineering生產(chǎn)的一款汽車牽引電動機(jī)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(jī)電流、扭矩輸出、麥克風(fēng)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(jìn)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(jìn)行了掃描測量，了解了配置四個極對的電動機(jī)的性能。通過調(diào)查圖10)中所示的電流和電壓顏色圖可知，正如預(yù)期所料由于電機(jī)采用四個極對結(jié)構(gòu)，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(jī)的四個極對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生，而是因電機(jī)中的其他物理部件（即主軸共振）所產(chǎn)生。

圖8 SRM電動機(jī)與IM電動機(jī)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(shù)相結(jié)合有助于了解電動機(jī)的NVH性能。同時明確導(dǎo)致扭矩波動的諧振頻率。接下來是結(jié)合傳統(tǒng)NVH測試了解電動機(jī)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化為噪聲和振動的原理較為復(fù)雜。相關(guān)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(zhuǎn)、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(chǎn)品和服務(wù)幫助用戶實現(xiàn)這些目標(biāo)。