新能源汽车异步电机驱动系统的电磁振动与噪声分析

新能源汽车异步电机驱动系统的电磁振动与噪声分析

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代颖

罗建渊上海大学机电工程与自动化学院袁上海圆园园圆苑圆冤

摘要院以额定功率源园噪宰的新能源汽车异步电机牵引系统为例袁基于粤灶泽赠泽辕酝葬曾憎藻造造和酝葬贼造葬遭软件平台袁从系统角度出发袁介绍车用电机与驱动控制器系统的电磁振动与噪声的分析方法遥仿真电机车载固定模式下电机结构的模态频率袁分析安装固定对电机结构模态频率的影响遥分析变频器开关频率对电机牵引系统电磁噪声的影响袁通过仿真对比指出合理的开关频率袁并通过实验验证理论分析的正确性遥

关键词院电动汽车袁异步电动机袁驱动系统袁电磁噪声袁开关频率

粤遭泽贼则葬糟贼押栽葬噪蚤灶早贼澡藻贼则葬糟贼蚤燥灶泽赠泽贼藻皂燥枣蚤灶凿怎糟贼蚤燥灶皂燥贼燥则燥枣葬怎贼燥皂燥遭蚤造藻憎蚤贼澡则葬贼藻凿责燥憎藻则源园噪宰葬泽葬灶藻曾葬皂责造藻熏遭葬泽藻凿燥灶贼澡藻泽燥枣贼憎葬则藻责造葬贼枣燥则皂燥枣粤灶泽赠泽辕酝葬曾憎藻造造葬灶凿酝葬贼造葬遭熏贼澡蚤泽责葬责藻则蚤灶贼则燥凿怎糟藻泽贼澡藻葬灶葬造赠泽蚤泽皂藻贼澡燥凿燥枣藻造藻糟贼则燥皂葬早灶藻贼蚤糟增蚤遭则葬贼蚤燥灶葬灶凿灶燥蚤泽藻燥枣皂燥贼燥则葬灶凿凿则蚤增藻糟燥灶贼则燥造造藻则泽赠泽贼藻皂燥枣增藻澡蚤糟造藻枣则燥皂贼澡藻责燥蚤灶贼燥枣增蚤藻憎燥枣泽赠泽贼藻皂援栽澡藻皂燥凿葬造枣则藻择怎藻灶糟赠燥枣皂燥贼燥则泽贼则怎糟贼怎则藻蚤灶枣蚤曾藻凿皂燥凿藻蚤泽泽蚤皂怎造葬贼藻凿熏葬灶凿贼澡藻蚤灶枣造怎藻灶糟藻燥枣枣蚤曾藻凿蚤灶泽贼葬造造葬贼蚤燥灶燥灶皂燥凿葬造枣则藻择怎藻灶糟赠燥枣皂燥贼燥则泽贼则怎糟贼怎则藻蚤泽葬灶葬造赠扎藻凿援栽澡藻蚤灶枣造怎藻灶糟藻燥枣泽憎蚤贼糟澡蚤灶早枣则藻择怎藻灶糟赠燥枣枣则藻择怎藻灶糟赠糟燥灶增藻则贼藻则燥灶藻造藻糟贼则燥皂葬早灶藻贼蚤糟灶燥蚤泽藻燥枣皂燥贼燥则贼则葬糟贼蚤燥灶泽赠泽贼藻皂蚤泽葬灶葬造赠扎藻凿援

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振动噪声是衡量电动汽车牵引用电机品质的重要指标袁也是汽车行业关注的关键问题之一遥与传统燃油汽车不同袁电机牵引系统的电磁噪声成为了影响车辆晕灾匀性能的主要来源袁研究电机牵引系统的电磁噪声对我国在汽车行业弯道超车袁进军高端市场具有重要的意义遥本文以一台额定功率源园噪宰的新能源汽车牵引用异步电机为研究对象袁基于粤灶泽赠泽辕酝葬曾憎藻造造和酝葬贼造葬遭软件仿真平台从电机与驱动控制器的系统层面对电机牵引系统的电磁振动辕噪声进行分析遥电机样机及技术指标表员所示遥

表员

纯电动汽车牵引异步电动机技术指标

机牵引系统的电磁力波袁两个关键工作点的电磁力波时空分布和阶次分析结果如图圆所示遥

员异步电机牵引系统的电磁力波分析

新能源汽车牵引用电机要求电机低速大转矩尧调速范围宽以满足车辆的爬坡性能和巡航需求遥合理选择电机的极槽配合袁在电机调速范围内避免并远离电磁共振袁通过异步电动机常用的槽配合的对比分析袁选择猿远辕源源槽配合咱员原圆暂遥作用于电机结构的各次电磁力波是产生电磁振动和电磁噪声的主要原因袁本文首先建立源园噪宰异步电机的的电磁场分析模型袁如图员所示袁用来分析作用于电机结构的各次电磁力波遥

图圆异步电机电磁力波的时空分布和圆阅云云栽分析结果

图员电磁场有限元分析模型及网格剖分

一般情况下袁牵引电机恒转矩最高转速工作点的磁场饱和程度最大袁恒功率最高转速工作点的磁场畸变最大袁本文以恒转矩最高转速工作点和恒功率最高转速工作点为例袁分析异步电

由图圆可知袁样机的主要低阶电磁力波次数为园次和源次袁因此袁在电机调速范围内须保证这两次电磁力波的频率远离电机定子结构的园阶和源阶模态频率遥圆新能源汽车驱动电机模态分析

电机的振动噪声大小主要取决于电磁力波频率尧幅值尧次数和电机相应定子结构的各阶固有频率遥建立牵引电机定子结构的有限元模态分析模型袁模拟电机牵引系统实际工作的安装固定情况袁端盖固定不动袁建立异步电机定子结构的有限元模态仿真模型袁电机定子结构的有限元模态仿真结果如图猿所示遥

合理的安装固定可提高结构的刚度袁从而提高结果的固有频率袁本文对电机定子结构自由悬挂状态和电机非驱动端固定两种状态的模态进行了仿真分析袁两种状态下电机定子结构的

叶工业控制计算机曳圆园员怨年第猿圆卷第缘期图猿异步电机模态振型及固有频率

模态频率如表圆所示袁端面固定后电机结构圆阶和猿阶固有频率得到了明显提高遥

表圆

电机模态阶次频率对比

猿异步电机牵引系统的电磁噪声分析

由电磁力波和电机结构模态频率的仿真结果可知袁电机园阶模态固有频率高于员园园园园匀扎袁与园次电磁力波在电机调速范围内的最高频率相差较远袁产生的电磁噪声较小袁源阶电磁力波在电机调速范围内最高频率为远源园园匀扎袁与定子结构的固有频率接近袁电磁振动较大袁但频率较高袁引发的电磁噪声不会很大遥

新能源汽车异步电机牵引系统采用变频驱动袁电源谐波也会在电机结构上产生相应的电磁力波袁本文基于粤灶泽赠泽辕酝葬曾憎藻造造和酝葬贼造葬遭软件仿真平台袁建立牵引电机和驱动控制器的联合仿真模型袁探究开关频率的选取对电机牵引系统电磁振动辕噪声的影响袁选取最佳开关频率遥本文异步电机采用矢量控制方式遥

基于球面辐射模型仿真电机的电磁噪声袁为方便与实验结果对比袁建立半径为园援猿皂的圆柱面辐射模型渊噪声实验为获得清晰频谱袁测试距离为距离电机机身园援猿皂冤袁计算该球面上的声

图源

猿远园园则责皂原圆员圆晕皂工作点电磁噪声的频谱对比

161

压级遥变频器开关频率从圆噪匀扎逐渐增加袁仿真对比电机调速范围内各工作点理想正弦波驱动和各开关频率下的电磁噪声遥

通过仿真分析得出袁当开关频率在缘噪匀扎及以上时袁电机牵引系统的电磁噪声与正弦波驱动时的电磁噪声差别很小袁随着开关频率的增加袁开关损耗逐渐增大袁因此袁对于本文样机来说袁开关频率选择缘噪匀扎为最佳开关频率袁如图源所示为电机恒转矩最高转速工作点开关频率为圆噪匀扎和缘噪匀扎时的电磁噪声对正弦波驱动时电机牵引系统的电磁噪声频率对比遥

由图源可知袁逆变器开关频率为圆噪匀扎时袁各频段电磁噪声幅值相对正弦波驱动时明显增大曰缘噪匀扎时电机牵引系统的电磁噪声频谱相对正弦波驱动的电磁噪声频谱变化不大遥

通过电磁噪声的有限元仿真得到本文样机电磁噪声最大值约为愿远凿月袁电磁噪声较大袁由上文分析可知袁电磁噪声主要由源次电磁力波产生袁频率较高袁声音的锐度不高袁但相应的电磁振动较大袁需要采取一定的抑制措施遥源电机的空载噪声测试

本文噪声实验在自制的半消音室中进行遥为获得清晰的噪声信号袁噪声测试选择在深夜进行袁背景噪声最大值为源源凿月袁与电机噪声测试结果最小值相差员园凿月以上袁噪声测试数如图远所噪声示遥

试验现场如图缘所示遥各转速空载噪声的测据不需修正咱猿暂遥试结果图缘噪声测试

图远异步电机样机空载测试噪声

由图远可知样机最大空载噪声对应的转速为源源园园则责皂袁采

图苑

源源园园则责皂通断电前后瞬间空载噪声频谱对比

渊下转第员远源页冤

1

员冤合理布局遥合理的布局主要指设备内部电缆走线尧各个模块单元的相对位置等遥其基本原则是使感受器和干扰源尽量远离袁输入与输出端口妥善分割等咱苑暂遥在不影响设备整体成本的前提下袁通过合理的布局使得器件相互之间的干扰减小到最小的程度遥

圆冤完善线路设计遥尽量设计和选用自身发射小尧抗干扰能力强的集成电路作为电子设备的单元电路遥具体方法有院淤提供合理的孕悦月布局尧布线袁防止砸云能量在孕悦月中无序传播曰于使用合适的接地方法袁提供理想的零参考系统曰盂提供合适的旁路和去耦方式袁以及减少平面的电压不平衡和地面噪声电压等遥

猿冤屏蔽与滤波遥没有经过表面处理的铝合金表面会产生氧化物袁使导电率下降袁反射损耗降低咱愿暂遥为提高机箱的屏蔽性能袁机箱箱体全部采用铝合金材料袁并且通过导电氧化的表面处理方法袁有效地提高了机箱的导电率袁保证在恶劣环境下具有良好的导电性曰对外转接等外露电缆尧连接器均采用带电磁屏蔽电缆和具有电磁屏蔽作用的航空连接器制作袁可在一定程度上保证设备电磁屏蔽性遥机箱上的孔洞和缝隙极易引起导电不连续性袁造成电磁干扰的传播遥为了解决这些问题袁针对服务器机箱采取以下措施院对于机箱上的永久性接缝袁采用真空钎焊的工艺曰非永久性配合面形成的接缝用螺钉紧固连接袁在接缝间通过加垫导电衬垫袁实现消除或减小缝隙的不平整或变形袁防止机箱屏蔽性能的下降遥

对敏感输出线路采用良好的滤波技术袁在哉杂月尧串口尧灾郧粤等对外接口的信号通路上袁通过用共模电感尧高频滤波电容等器件进行滤波袁抑制无用信号的输出和侵入遥针对对外电源接口袁对电源进入整机内部的接口处袁将电源连接器和电源滤波器设计成为一体袁电源输入输出进行了良好的隔离袁可以解决电源线上的传导干扰和电源线的传导辐射遥

源冤接地与搭接遥对电子设备进行接地设计是有效抑制噪声和防止干扰的重要举措之一遥通过设置的机壳地和电源地装置防止电场发射和敏感度遥机箱对外传输电缆外加屏蔽层袁并与连接器壳体及箱体面板连接的方式实现接地遥

渊上接第员远员页冤

基于灾孕载架构的刀片服务器机箱设计技术与研究

缘环境试验

为验证各项设计是否达标袁对加固服务器进行振动试验尧低温工作试验尧高温工作试验尧电磁兼容试验尧噪声指标等多个项目进行验证遥加固服务器的试验在具有资质的环境试验测试中心进行袁试验条件根据用户要求设置遥试验结果表明该设备的设计符合用户方要求袁在用户的应用环境下可以长期可靠稳定地工作遥远结束语

灾孕载架构刀片服务器在性能尧扩展性方面较传统单机系统具有明显优势遥通过本文的设计思想可以设计出满足于抗恶劣环境的加固服务器袁其抗振尧散热尧电磁兼容尧降噪性能均能满足要求袁也为后续深入的研究奠定了基础遥

参考文献

咱员暂李昆袁杨连发袁庞志伟袁等援抗恶劣环境机箱结构设计及其动力学仿真咱圆暂邱成悌袁赵惇殳袁蒋全兴袁等援电子设备结构设计原理咱酝暂援南京院东南咱猿暂张瑜援密闭电子设备机箱的热设计试验研究咱允暂援电子机械工程袁圆园员缘咱源暂向广超援军用电子机箱的热分析和热设计咱阅暂援西安院西安工业大学袁咱缘暂胡涛袁服务器振动分析及抗振设计咱阅暂援成都院电子科技大学袁圆园员员

计手册咱杂暂援北京院总装备部军标出版发行部袁员怨怨怨圆园园愿

咱远暂中华人民共和国国家军用标准袁郧允月辕在圆怨怨月原怨怨熏电子设备可靠性设咱苑暂酝藻灶早允蚤灶袁酝葬宰藻蚤皂蚤灶早援孕燥憎藻则糟燥灶增藻则贼藻则泽耘酝陨葬灶葬造赠泽蚤泽蚤灶糟造怎凿鄄

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应用研究袁圆园员园渊缘冤院缘猿原缘远

咱收稿日期院圆园员怨援猿援员源暂

渊愿冤院缘原愿大学出版社袁圆园园苑

咱允暂援机械设计与制造袁圆园员圆袁怨渊怨冤院猿缘原猿苑

用断电法判断噪声的主要来源袁如图苑所示袁通断电前后瞬间的噪声频谱变化很小袁证明噪声的主要来源为机械噪声袁空载电磁噪声不是电机噪声的主要来源袁但测试过程中发现电机高速运行时电磁振动逐渐增大袁特别是远园园园则责皂时电磁振动很大袁电机的电磁振动需要抑制袁验证了理论分析结果的正确性遥缘结束语

通过研究得出以下结论院

员冤开关频率较低时会导致电机牵引系统的电磁振动辕噪声增大袁通过理论分析和有限元仿真合理选择变频器开关频率袁有助于电磁振动辕噪声的抑制曰

圆冤通过本文的分析发现只考虑槽配合的合理选取对于调速范围宽广的车用电机是不够的袁应进一步采取其他一直措施对电机牵引系统的电磁振动和电磁噪声加以抑制遥

参考文献

咱缘暂于慎波袁李红袁翟凤军袁等援基于灶悦燥凿藻阅藻泽蚤早灶原蕴蚤枣藻的永磁同步电咱远暂杂援允援扬援低噪声电动机咱酝暂援北京院科学出版社袁员怨愿缘院缘原圆圆

出版社袁员怨愿苑院圆员原愿怨缘园原缘猿

机主轴的疲劳特性分析咱允暂援组合机床与自动化加工技术袁圆园员苑渊员冤院

咱苑暂陈永校袁诸自强袁应善成援电机噪声的分析和控制咱酝暂援杭州院浙江大学咱愿暂陨泽造葬皂酝杂熏陨泽造葬灶砸熏杂藻遭葬泽贼蚤燥灶栽援晕燥蚤泽藻葬灶凿灾蚤遭则葬贼蚤燥灶悦澡葬原则葬糟鄄

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咱员暂王小远袁赵玉双袁高淼援转子槽数对电动汽车用异步电机性能的影响咱圆暂代颖袁崔淑梅袁张千帆援车用异步电机的电磁振动辕噪声分析咱允暂援中国咱猿暂曾兆炎袁王文光援旋转电机负载噪声的测定方法咱允暂援中小型电机袁咱源暂孙雪袁代颖袁王小飞袁等援高速异步电机转轴的疲劳特性分析咱允暂援电机

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电机工程学报袁圆园员圆袁猿圆渊猿猿冤院愿怨原怨苑

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