屈臣雹 巫日 ＲＥＳＥＡＲｃＨ研究 文／ 仲 ｃ ｊ济大罕 气车学院ｊ 汽车行业将噪声、振动与舒适性合在一起统称为车辆８￣ＮＶＨ（Ｎｏｉｓｅ、Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ、Ｈａｒｓｈｎｅｓｓ）问题。由于它给汽 车用户的感受是最直接和最表面的，在很大程度上反映出生产厂家的设计水平及工艺水平，因此它是各大整车 制造企业和零部件企业重点关注的问题之一。当在汽车车辆设计的内容中谈￣ＵＮＶＨＢ，－Ｊ，在哪些情况和频率范围 需要考虑噪声、振动和舒适性并没有清晰的定义，这取决于居住者或环境所感知到的现象。本文基于汽车冷却 风扇及电机的降噪要求，提出了优化磁瓦结构代替现有同心磁瓦和偏心磁瓦，并通过振动噪声变化曲线分析得 出优化后的磁瓦在降低有刷直流电机电磁噪声方面的实用性。 一般汽车 令却风扇使用的都是永磁同步电机． 极的形状，采用偏心磁极结构代替现有同心磁瓦结 构，使磁极两端厚度减小，从而达到削弱齿槽转 该电机具有高效率、低耗能以及环保节能等特点， 电机的噪声主要分为机械振动噪声、空气动力噪 声、电磁噪声以及电刷噪声等。 因此在汽车和船舶等领域得到广泛应用。永磁同步 矩，降低电机电磁噪声的目的。 试验验证 在半消声室内测试冷却风扇噪声水平，麦克风距 电机的种类、结构造型和电机转数等的不同， 其产生的噪声种类也随之变化。行业内已经研究出 离吸风式冷却风扇１ ｍ，冷却风扇两端加载１４ Ｖ额定 了很多解决机械振动噪声以及空气动力噪声的方 电压，通过控制器使风扇转速均匀稳定连续上升，得 法，然而电磁噪声一直没有行之有效的解决办法， 因此电磁噪声是永磁同步电机最主要的噪声来源。 到连续上升的总声压及各阶次噪声曲线，如图１冷却 风扇总成初步噪声测试图。不同颜色曲线代表不同阶 次谐波分量曲线，从图中可以看出，总声压级的异常 理论分析 直流电机的电磁噪声是由气隙磁场（主要是谐 凸起与２０阶次的噪声曲线在转速上匹配，说明是２０ 阶的异常噪声与风扇１￣９－ａｌ｝＜￣发生其振。 波磁场）引起磁极与机座变形和周期性振动而产生 的，在气隙磁场和电枢槽口的相互作用下，产生了 噪声。消除或削弱齿槽转矩影响的方法主要有： １．重新设计电枢铁心的形状： ２．改变电机的极数 口槽数； 阶次表示每转一次事件发生的次数。从图２中可 以看出，除了２０阶以外，只有１ ０阶和７阶的噪声有 明显波动，而１ ０阶噪声曲线与２ｏｓｆ＂完全不同，可以 得出判断：总声压级噪声突变受２０阶影响，而与１０ 阶、７阶无关。相对于风扇总成，阶次为２０阶的部 件为电枢，其转子槽数为２０槽，这表示空间某一点 ３．永磁体采用斜极结构； ４．电枢铁心直槽改为斜槽； ５．增加定子齿上的辅助槽 中，风扇转动一圈，电枢齿槽对应这点的位置发生 ２Ｏ次相同变化，风扇在２０￣ｆｌｆ９噪声很有可能就是电 ，其中１、３、４、５这４种方法增加了制造电机的 枢齿槽造成的。即噪声来源与电枢齿槽相关。 工艺难度，而方法２很大程度了电机槽数的自由 选择，不利于电机的整体设计。 复测证明了噪声来源于电机内部而非风叶，基 本可以确定与电枢齿槽密切相关。而电枢齿槽影响 电机电磁噪声。因此，噪声问题的解决要从解决电 齿槽转矩是永磁电机不通电时永磁体和铁心 之间相互作用产生的转矩。本文是通过改变永磁磁 磁噪声入手。 优化方案 基于现有磁瓦结构的诸多缺点，考虑从降低电 机电磁脉动力出发，在保持电机性能基本不变的前 提下。通过对磁瓦局部设计结构优化，去除了局部 图１冷却风扇总成初步噪声测试 图２噪声不合格件耄孝换风叶复测图 影响磁密畸变的多余结构设计，降低磁密在边缘处 的畸变水平 工作原理 本文采用的同心磁瓦的磁性能波动曲线，边缘 畸变效应显著、这一现象导致在一个旋转周期内电 七一３ 十一ｒｒ』 磁力脉动产生起伏波动、、 电磁力畸变导致电机振动～噪声的激励是由于气 隙磁场存在畸变，切电枢开一定数量的槽．由于齿 槽的影响，使得电机电枢在每次通过磁瓦边缘受到 的力与通过磁瓦中心段时所受的力是不同的。该周 期性的交变力构成了电机电磁脉动力的基波，同时 该脉动力又存在着大量的谐波分量。基波力和谐波 力，直接列电机轴系及其承载结构进行激励。 由于本电机设计应用于车辆上，电机在车上表 现为持续的间断性运转，时不时激发的电机振动和 噪声，直接影响到乘客的舒适性感受，同时电机频 繁处于共振一非共振的波动．也对电机轴系的寿命也 有一定的影响 磁瓦结构优化设计 目前永磁直 ／．Ｊｉｂ电机应用的磁瓦主要有同心磁瓦 和偏心磁瓦。同心磁瓦的优点是电机效率高，节能 节材 、缺点是阶次噪声高。偏心磁瓦的优点是阶次 噪声低．缺点是电机效率低，耗能耗材。 本次磁瓦结构优化出发点：在散热器冷却风扇 总成、电机性能已经锁定的情况下，如采用偏心磁 瓦，产品性能将受到影响，因此不采用。采用散热 器 令却风扇总成、电机性能基本保持不变的优化磁 瓦。特定结构针对应气隙磁密畸变所致的局部磁通 变化的结构调整。尺寸控制如下： １．磁瓦内半径Ｒ１－－４５ｌ７ ｍｍ，但仅控制在５５。 范围内 ２．磁瓦外半径Ｒ２＝５２ ５ ｍｍ，外半径保持不变； ３磁瓦在等半径区域控制厚度为６．８ ｍｍ； ４．磁瓦在畸变边缘至距离中心２７．５。的等半径 区域存在过渡区．过渡区段采用平滑抛物曲线过渡； ５．极靴最外侧边缘距磁瓦中心顶部为１ ５＿３ ｍｍ； ～ ６磁瓦在畸变边缘处给予Ｒ２ＳｇＪ角。 改善了磁瓦的磁性能局部畸变，从根源上优化 了电磁力脉动的幅度，改善了电机振动噪声等舒适 性指标。而平均值－＾生能的维持，则意味着电机在性 能和效率上得到了有效保证。 散热试验对比 优化磁瓦应用于汽车散热器冷却风扇领域，针 对现有常规优化手段——偏心磁瓦的能耗缺陷进行 优化，实现了与常规等半径磁瓦相似效率条件下的 振动噪声性能改善。 １．由于对磁瓦边缘结构的进行了特别改进，能 调整电枢气隙磁场磁密度分布，改善了气隙磁场的 边缘效应，使得不均匀磁通（磁压降）导致的电磁 脉动力得到了下降。 ２．本优化设计结构仅针对局部进行了结构优化 调整大幅降低了偏心磁瓦所致的整体磁性能下降， 本产品的磁瓦结构优化设计一使得磁瓦一电枢整体磁 通性能与常规等半径磁瓦结构相似。由于电枢一磁瓦 磁通性能得到了保证，电机效率这一参数几乎没有 下降。 ３由于上述磁瓦边缘结构的优化，最终改善了 电磁脉动力的波动幅度。磁瓦一电枢系统对电机轴的 周期性作用力，以及谐波作用力的也得到了下降， 使得电机工作时的振动和谐波振动得到了有效抑 制。电机的振动噪声得到了改善，而电机结构振动 的下降，对电机的耐久性，寿命也有一定益处。口
