压缩机用永磁无刷直流电机多物理场

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摘要：为了降低电动涡旋压缩机的电机电磁噪声，对于有外套的弧形磁片式转子电机在中低频电磁噪声较为明显的情况，提出采用内置V型径向式转子电机，并对样机进行了多物理场联合仿真和实验测试。通过仿真分析得到了内置V型径向式转子电机在1000～6000r/min的6个转速下的多物理场的振动等效辐射声功率瀑布图以及噪声的远场声压级瀑布图，并在噪声室通过汽车空调压缩机噪声测试运转台测试了样机的振动及噪声，将仿真的数据与实验数据进行对比，验证了基于ANSYSWorkbench平台永磁无刷直流电机在多转速下的耦合场分析的准确性。

关键词：永磁无刷；直流电机；多物理场；多转速；耦合分析

引言

电动压缩机作为新能源汽车制冷系统的心脏，其各方面的性能在市场竞争中都占据着极其重要的地位。为了满足人们对于乘车舒适性越来越高的要求，电动压缩机的减振降噪显得越来越重要。目前对于电动压缩机的减振降噪研究已经日趋成熟，电机本体机械振动动平衡技术显著提高，使得电机的电磁噪声也就相对突出。目前对电机电磁噪声的控制，逐渐成为电动压缩机减振降噪的研究热点。唐娟等[1]对电动客车用永磁同步电机噪声特性进行了研究，从电磁力角度分析电机在空载和额定工况下电机定子齿部径向电磁力波的差异，才立忠等[2]研究了转子分段斜极对电机振动噪声的影响，李晓华等[3]研究了分数槽永磁同步电机的一般振动特性，理论分析了电机电磁力波的特征参数和谐波来源，周羽等[4]对开槽时永磁同步直流无刷电机的气隙磁场进行了解析计算，柳刚等[5]通过模态分析研究了转子结构对永磁同步电机振动噪声的影响，通过模态分析、振动试验、频谱分析研究了两种转子结构对振动噪声的影响，马龙等[6]从电机噪声的分类、产生机理、优化措施3方面分析了永磁同步电机的NVH性能，牛超群[7]研究了永磁无刷直流电机定子槽型对转矩脉动的影响，刘鹏等[8]对车用永磁同步电机振动噪声研究做了一个概述，姚学松等[9]针对某一款永磁同步电机某一阶次电磁噪声进行了研究，对比4种优化方案，最终削弱了电磁噪声以及啸叫声。综上可见，目前对电动压缩机用永磁电机振动噪声的研究还比较少。为了分析内置V型径向式转子电机对电动压缩机振动噪声的影响，利用Workbench平台实现了永磁无刷直流电机在多转速多物理场的耦合仿真；为了验证仿真结果的准确性，利用汽车空调压缩机噪音测试运转台调节压缩机稳定在在国标工况（进口压力：0.375MPa，出口压力：1.492MPa），并在半消音室进行了振动噪声测试。通过对比振动加速度数值，验证了多转速下多物理场耦合分析的可靠性。

1电机定转子模型及其参数

为了建模方便，本文采用RMxprt一键有限元建模功能建立永磁无刷直流电机定转子模型，主要参数如表1所示。根据表1建立的压缩机定转子模型如图1所示。

2电机电磁力及其谐波分析

电机在正常工作时，电磁力作用在定、转子间的气隙中，产生旋转力波或脉动动力波，使定子产生振动，从而带动机壳振动而向外辐射噪声[10]。图2所示为电机定子齿部面力密度分布图。由此看出，主磁通大致沿径向进入气隙，并在定子和转子上产生径向力，同时其产生切向力矩和轴向力[11]，显然径向力所引起的振动是永磁无刷直流电机产生电磁振动和噪声的主要原因。由麦克斯韦张量法，作用于定子铁心表面单位面积的径向电磁力波为：式中：fr为径向电磁力密度，N/m2;Br、Bt分别为气隙磁密的径向分量和切向分量，T；BRδ、BSδ分别为转子永磁磁密和定子电枢反应磁密的径向分量，T；μ0为真空磁导率，大小为4π×10-7H/m[12]。径向电磁力主要分为3类：永磁磁场相互作用产生的径向电磁力；永磁磁场与电枢反应磁场相互作用产生的径向电磁力；电枢反应磁场相互作用产生的径向电磁力[13]。具体解析式如表2所示。表中：χR为永磁磁场的谐波次数，其值为2mr+1（mr=0，1，2…）；χS为电枢反应磁场谐波次数，其值为6ms±1（ms=0，1，2…）；P为电机极对数；Z为电机槽数；

3电机耦合场分析

为了准确得到电机电磁力引起的噪声振动结果，对电机定子及其壳体的装配体进行网格剖分[15]。为了精确计算电机电磁力在定子上的分布情况，将定子齿部分割出来，图3所示为外部CAD导入Maxwell并分割定子齿部的二维示意图。由图2可以明显看出，在定子齿部的电磁力主要是径向力。如此将定子齿部径向力加载到Workbench中的谐响应分析模块进行电磁结构的耦合分析，根据实验室得出的振动频域图分析，得出电机电磁力及其谐波引起的振动噪声主要集中在中低频，因此主要在0～5000Hz频率下进行扫频分析。为了将Maxwell分析得到的径向电磁力无缝耦合到谐响应分析模块，将网格单元限制在0.75mm以内，具体边界条件设置如表3所示，然后对定子机壳进行网格划分，图4所示为电机定子壳体网格剖分图。电机在1000～6000r/min的6个转速下的等效辐射声功率瀑布图，求解结果如图5所示。分析可知，电机5000～6000r/min、1800～3000Hz频率范围内能量辐射较大。为了分析电机的远场噪声水平，需要将谐响应分析得到的电机定子机壳振动信息导入到HarmonicAcoustics进行耦合分析，图6所示为电机1m处噪声声压级瀑布图。由图不难看出电机在1800Hz频率以下，电机转速1000～6000r/min电磁噪声变化平稳，另外电机在5000r/min（523.35rad/s）转速下2500Hz频率噪声贡献值较大，电机在6000r/min（628.02rad/s）转速下4200Hz噪声贡献值较大，通过表2可以得到2500Hz对应径向电磁力5倍频，4200Hz对应径向电磁力7倍频。为了对比样机与原来电机的振动噪声水平，并且验证仿真结果的准确性，在半消音室平台对样机进行了实验验证，按照汽车空调用电动压缩机国家标准JB/T12845-2016将加速度传感器安装在支架上，压缩机测试环境如图7所示。鉴于实验室噪声检测仪采样频率最精确只有0.01s，在整体噪声水平满足设计标准的情况下，将重点放在振动检测。图8所示为两种电机在5000r/min（523.35rad/s）转速下的振动频域对比图，不难看出在2500Hz（对应径向电磁力5倍频）频率下振动由3.6m/s2降低为1.5m/s2。图9所示为两种电机在6000r/min（628.02rad/s）转速下的振动频域对比图，可以发现其在4200Hz（对应径向电磁力7倍频）频率下振动由2.4m/s2降低为1.0m/s2。从而验证了基于ANSYSWorkbench平台永磁无刷直流电机在多转速下的耦合场分析的可靠性。

4结束语

本文针对本公司电动压缩机中低频电磁噪声较为突出的问题，提出采用内置V型径向式转子电机，并对样机在多个转速的情况下进行了多物理场的耦合分析，并对仿真结果进行了实验验证，发现内置V型径向转子式电机的阶次频率振动幅值明显降低。主要结论如下：（1）电机电磁力主要作用在定子齿部，且主要是径向力；（2）电机在5000r/min转速时，5阶振动加速度较为明显，在6000r/min时，7阶振动加速度较为明显，从而表明这两种转速下定子机壳振动辐射噪声水平较高；（3）内置V型径向式转子电机对于改善以上阶次噪声效果较为明显。

作者：白俊昭 柏兴旺 李春银 俞雪奇 王卓睿 单位：南华大学