某輪轂電機振動噪聲優(yōu)化研究

面電磁力，并磁場節(jié)點力映射到電機結(jié)構(gòu)模型，利用模態(tài)疊加法求解電機殼體表面振動響應(yīng)進行分析，確定最大振動響應(yīng)位置小柔度為目標(biāo)對該部件進行拓撲優(yōu)化，并對優(yōu)化方案進，輕量化后電機殼體提升了固有頻率，同時在分析響應(yīng)在全頻段有明顯改善，為該型輪轂電機輕量化設(shè)無刷電機功率密度大、體積小、效率高且易于維護，在新能汽車行業(yè)應(yīng)用極其廣泛[1]。濟計算，還必須要考慮電機振動和噪聲水平，以便優(yōu)化電機整體性能[2]。電機如何降低電磁振動，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得諸多成果。[4]對鼠籠式感應(yīng)電動機各種場諧波和徑向力產(chǎn)生機理及分布[6]將不同頻率電磁力波諧波在各個模態(tài)頻率下振動大小疊加[7]通過對電機進行三維有限元仿真與試驗分析，指出通過調(diào)拓撲優(yōu)化算法，在輕量化電機殼體的同時改善電機振動水二維電磁計算軟件快速求解出電機某分析工況下定子，把二維網(wǎng)格下的節(jié)點力存儲并導(dǎo)入到有限元分析限元分析軟件中導(dǎo)入電機有限元模型，并進行模態(tài)分將三維磁場節(jié)點力進一步結(jié)映射到電機結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上作為強迫響應(yīng)析電機殼體在分析工況下的法向振動響應(yīng)分布，并考慮旋轉(zhuǎn)部2.永磁同步電機磁場分析2.1氣隙磁場計算極45槽永磁無刷直流外轉(zhuǎn)子電機，其中扇形永磁體用單層繞組，通過定子盤直接固定在定子軸上，形式如圖2 (a)所示，電機結(jié)構(gòu)主要參數(shù)，如表1所示。輪轂電機的主要參數(shù)1234567898作為電機機電能量轉(zhuǎn)換的區(qū)域，其分布和變化情況嚴重磁力如圖3(b)所示，各諧波對外轉(zhuǎn)子電機氣隙磁密波形影響最顯著的是4階諧波(幅值0.46T)，其它諧波次數(shù)相對于基波來說影響密的2.2電磁力計算伸縮力是通過線圈的電流交變時由于磁化作用而使得鐵機主要振動來源是徑向力波；而麥克斯韋力在電機中主要表現(xiàn)為諧波，而這些諧波又是以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以麥克斯韋力實際上磁通沿徑向進入氣隙，然后在轉(zhuǎn)子和產(chǎn)生，從而引起電磁振動輻射噪聲，所以對于外轉(zhuǎn)子電機電機振動主要是電機永磁體表面的電磁力導(dǎo)致的，并以聲磁力9]： (1) (2)其值均為電流基頻(40Hz)的偶數(shù)倍，且其對應(yīng)的電磁力頻率階次為電機極數(shù)的整數(shù)倍[10]。3.電機模態(tài)分析有較大聯(lián)系[11]。Ansys件對電機有限元模型采用Supernode算法進行模態(tài)計其中外轉(zhuǎn)子采用6面體網(wǎng)格劃分，前后端蓋采用4面體網(wǎng)格劃網(wǎng)格單元大小為4mm。移動、扭轉(zhuǎn)、擴縮；后六階模其中在前12階模態(tài)振型中主要以電機前端蓋的變形為主，說明前率在3000Hz以上時，還出現(xiàn)了固有頻率密集現(xiàn)從而產(chǎn)生各階固有頻率相差不大，部分模態(tài)振型相同但各階頻率4.電機振動響應(yīng)分析Hamilton力學(xué)中的應(yīng)力--應(yīng)變--位移之間的關(guān)外轉(zhuǎn)子電機的電磁振動是作用在永磁體表面的麥克斯韋電磁力使構(gòu)發(fā)生強迫振動，繼而從電機轉(zhuǎn)子殼體表面輻射出電磁噪振動噪聲主要是電機轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)電磁力波作用下的強動[12]。表面的法向振動速度測試點及其振動響應(yīng)頻譜圖，如圖7(a)所示。表面法向振動速度明顯大于轉(zhuǎn)子表面，進了電機模態(tài)振型表現(xiàn)出來的振動特性。 (b)所示。機模態(tài)分析求出的電機固有頻率發(fā)現(xiàn)各峰值處的頻率與各5.電機殼體拓撲優(yōu)化析，確定電機前端蓋作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要部件。結(jié)構(gòu)強度范圍內(nèi)，采用變密度法以提高固有頻率和柔度最，以結(jié)構(gòu)的相對密度為設(shè)計變量，對電機前端蓋進行拓體單元進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小尺定為灰色的非優(yōu)化區(qū)域，綠色為優(yōu)化區(qū)域，為保留前端度區(qū)域進行優(yōu)化(總厚10mm)，以最小柔度為目標(biāo)，結(jié)構(gòu)許可料體積分數(shù)為0.8，經(jīng)過20次迭代的拓撲優(yōu)化后得到前端蓋拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)，如圖8(b)所示。端蓋優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型圖，如圖8(c)所示。工況中，靜態(tài)特性可有效替代動態(tài)系統(tǒng)在動態(tài)變化載荷工況下的耐久性分析[15]。強度要求，對優(yōu)化后的電機部最大應(yīng)力值雖然稍有增大，但仍在最小許用應(yīng)力 (250MPa)以下，如圖9所示。，同時優(yōu)化后前端蓋質(zhì)量下降了16%。后的電機模型進行強迫響應(yīng)分析，聲學(xué)有限元方法被用來其中聲壓測量點(場點)位于電機正前方的聲網(wǎng)格上，聲網(wǎng)格為在Hz聲幅值最高，對比電機模態(tài)分析可知峰值處聲處與模態(tài)是第五階固有頻率相近，應(yīng)該是在此處發(fā)生了優(yōu)化前/后前端蓋聲壓級頻譜特性分布變化不大，但在各頻值有較大改善，電機場點總聲功率級由優(yōu)化前的最大的dB說明電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化對電機的振動和噪聲的優(yōu)化效果比6.總結(jié)建某輪轂電機磁-固耦合模型，系統(tǒng)分析了該輪轂電機磁場布和振動響應(yīng)特性，證明了該類型電機前端蓋對電機整體振動結(jié)構(gòu)強度的條件下，基于最小柔度目標(biāo)拓撲優(yōu)化前端蓋結(jié)射特性，為該型輪轂電機輕量化設(shè)計和振動噪聲改善提供 [1]譚建成.永磁無刷直流電機技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011. [3]陳永校.電機噪聲的分析和控制[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1987. [4]于博洋，金昊，閆明.永磁推進電機沖擊響應(yīng)簡化計算方法研究[J].機 vibrationsduetoelectromagneticforceinelectricmotors[J].IEEE tsynchronousmachines radialforceexcitationandframetransferfunctionaspects[J].IEEETransactionson [10]賴劍斌.電動汽車驅(qū)動電機噪聲分析與試驗研究[D].合肥：合肥工y [11]王昆，張弓，陳賢帥，等.永磁弧形導(dǎo)軌電機的三維電磁場優(yōu)化分析 nanalysisofapermanentmagnetarcguidewaymotor[J].Machinery [12]商丹丹，楊惠忠.一種低壓大電流永磁直流電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機designofstructureofthelowvoltagehigh torconsi