李力欣
(莱森玛电机科技(福州)有限公司，福建福州 350026
)摘要：为了缩短新能源动力系统开发周期，技术人员需要对方案进行固有模态及电磁方案谐波的理论校核，以避免结构部件固有频率与电磁谐波产生共振㊂基于S o l i d -W o r k s ㊁M a x w e l l 软件，对1款新能源永磁同步电机的定转子铁芯等结构部件进行固有模态分析㊂针对磁场谐波频谱理论计算结果，进行技术分析与合理优化，以提升样机方案的合理性，减短样机审核周期，降低样机生产成本，提高经济效益㊂ 关键词：电磁结构；模态；谐波；振动
线绕电阻挤爆胶囊0 前言
随着新能源电动汽车的快速发展，用户对于乘坐
舒适性的要求也随之提高㊂整车振动水平对用户舒适性有着最直接的影响㊂电机作为电动汽车中的核心部
件，是振动的最主要激励元[1]
㊂在批量生产前，为了提
高新能源电动汽车的舒适性，需要对新能源三相永磁同步电机进行3~5次方案优化，而振动问题是其主要
优化方向之一[
2]
㊂针对1款新能源电机的设计方案，本文首先从理
论上进行振动分析，然后通过有限元分析，仿真计算确认设计方案的可行性，从而减少电机方案的优化次数，降低设计成本，缩短开发周期，提高经济效益㊂1 基于M a x w e l l 软件的有限元分析
如图1所示，技术人员在M a x w e l l 软件中建立电
机有限元模型用于电磁仿真㊂新能源三相永磁同步电机的电气参数和结构参数如表1和表2所示㊂
电机磁场的有限元分析主要针对定转子气隙磁场
醇醚燃料密度及齿槽转矩进行㊂如图2所示，为了增加有限元分析的准确性，技术人员在对定子和转子之间的气隙磁场进行分析时，对气隙分布的内外区域和转子旋转域面进行分区，不同的区域以不同的网格密度进行划分㊂
新能源三相永磁同步电机的振动测试通常是在空载状态下进行的
[3
]㊂在有限元模拟时，振动测试也在
空载状态下进行仿真㊂如图3所示，当转子达到峰值转速7500r /m i n 时,
技术人员对定子和转子冲片磁密图1 电机有限元分析模型表1 永磁同步电机的电气参数
电容器串联项目
参数电压/V
380峰值电流/A
260峰值转矩/(N ㊃m )235
峰值转速/(r ㊃m i n -1)7500额定转矩/(N ㊃m )
95额定转速/(r ㊃m i n
-1)4000表2 永磁同步电机的结构参数
项目
参数定子外径/m m 180.0定子内径/m m 115.8定子槽数48
槽口宽/m m 2.3极数8P 铁芯分段数8转子铁芯长度/m m
150.0
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图2 电机有限元分析模型网格剖分
云图的饱和度进行了分析㊂定子齿部最高磁密度为
1.430T ,
磁密度最高的位置位于转子磁桥处，磁密度为2.200T ㊂定转子气隙间最高磁密度为0.803T ㊂气隙磁
场密度分布曲线如图4如示㊂由此可知，电机的磁密度分配合理，降低了谐波对电机转矩的影响，同
时气隙磁场密度畸形也得到了抑制[
4]
㊂图3
电机定子和转子的磁密云图
图4 气隙磁场密度曲线
如图5所示，技术人员对气隙磁场密度进行傅里
叶变换分解，幅值较大的各阶次气隙谐波磁场密度主要分布为:5次谐波㊁7次谐波㊁11次谐波㊁13次谐波和
23次谐波,
其他高次谐波对电机影响很小㊂3次谐波由于绕组采用Y 型连接，对于3次谐波有削弱作用，可以排除3次谐波影响，总谐波畸变率(T H D )为
14.3%，满足设计要求
㊂图5 气隙磁场密度谐波分量
如图6所示，通过仿真计算可知定子和转子之间
的齿槽转矩㊂如图7所示，技术人员对定子和转子之前的齿槽转矩进行傅里叶变换分解㊂从分解结果可知，电机在主谐波分量和二次谐波分量有较大的幅值，其余阶次的谐波分量均已通过设计优化得到了抑制
㊂
图6
定子和转子之间的齿槽转矩苜蓿根
图7 定转子之间齿槽转矩谐波分量
因此，当电机达到最大转速7500r /m i n 时,
基波频率为500H z
㊂需要注意的是，此时谐波频率分别为1次谐波500H z ,2次谐波1000H z ㊁5次谐波2500
H z ㊁7次谐波3500H z ㊁11次谐波5500H z ㊁13次谐波6500H z 和23次谐波11500H z ㊂2 基于S o l i d -W o r k s 软件的静态力学分析
定转子铁芯的固有频率与谐波频率相近或者相同时，容易产生共振，电磁力将成为电机振动的激励源，所以在样机开发阶段，技术人员需要对定子和转子铁
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芯进行固有频率计算，对风险频率点进行分析及优
化[5]
㊂根据定子和转子固有频率的计算结果，技术人
员对定子和转子铁芯进行了强度计算，确定铁芯的屈服强度达到抗振动要求，以避免共振情况加大㊂2.1 定子和转子铁芯固有频率分析基于S o l i d -W o r k s 软件,
技术人员针对定子和转子铁芯固有模态频率进行了分析[
6
]㊂定子铁芯的固有频率范围如表3所示㊂转子铁芯的一阶模态固有频率为9404.1H z
，如图8所示㊂表3 定子铁芯固有频率的计算汇总
固有频率阶次
频率/H z
一阶1726.7二阶2499.2三阶2908.8四阶4789.9五阶6684.2六阶
8085.2图8 转子铁芯一阶固有频率变形图
2.2 定子和转子铁芯机械强度校核
该电机的峰值转速为7500r /m i n ㊂针对具有较大转动惯量的转子铁芯，技术人员在转子外圆附近对磁钢分布进行了机械强度校核㊂
机械强度校核的初始条件为：分段转子铁芯材料
自有质量㊁峰值转速(7500r
/m i n )
和磁钢材料自有质量㊂技术人员对转子铁芯进行了高品质网格剖分㊂转子机械强度校核结果如图9和图10所示㊂
根据计算结果，技术人员分析如下:(1)应力集中分布位置在下部隔磁桥位置，对转子铁芯整体强度影响有限，不会造成转子受力结构的不可逆损伤;(2)应变集中分布在去重孔的应力桥处，最大变形比为0.00274，相对变形量较低，并且位置靠近轴孔位置，对转子强度影响
很小㊂
图9 转子应力分析结果
图10 转子应变分析结果
2.3 计算结果分析及优化
根据上述计算结果，技术人员进行了技术分析，并提出优化措施如下:(1)5次谐波频率与定子铁芯二阶固有频率极为接近，是共振发生的危险点，其余频率点
经分析不是共振危险点;(2)5次谐波需要通过电机控制器进行抑制;(3)经过定子和转子铁芯强度计算可知，定子铁芯的轭部强度㊁转子铁芯磁桥强度均满足抗振要求，进一步抑制了共振的产生;(4)对转子铁芯进行的4段斜极处理表明，斜极角度为1个定子齿距，相应谐波得到了抑制;(5)
将转子动平衡标准提高至G 2.5等级，可以抑制由转子不平衡引起振动可能性㊂3 结语
本文针对永磁同步电机设计方案进行了磁场谐波分析和铁芯静态应力计算㊂通过分析磁场密度的分布和总谐波畸变度的合理性，技术人员确认该设计方案可行㊂通过对谐波进行分解和定转子的固有频率进行分析，可以预先到可能发生共振的频率㊂从理论设计出发，可以将样机方案的缺陷进行优化，通过降低电72
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机的振动，可以缩短样机制造周期，提高样机试验通过率，降低样机设计成本㊂
参考文献
[1]汤蕴璆.电机学(第四版)[M].北京：机械工业出版社,2011.
[2]路文开，张卫，唐杨.永磁同步电机定子振动特性分析[J].机械制造与制造,2020,354(08):232-234,238.
[3]左曙光，刘晓璇，于明湖.永磁同步电机电磁振动数值预测与分析[J].电工技术学报,2017,32(1):159-167.[4]闫荣格，刘怀文，贲彤，等.谐波对感应电机振动影响研究[J].电机与控制应用,2018,45(1):77-82.
[5]I S L AM MS,I S L AM R,S E B A S T I A NT.N o i s e a n d v i b r a t i o n c h a r-
a c t e r i s t i c so f p e r m a n e n t-m a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r su s i n g e l e c t r o-m a g n e t i ca n ds t r u c t u r a la n a l y s e s[J].I n d u s t r y A p p l i c a t i o n sI E E E T r a n s a c t i o n s,2014,50(5):3214-3222.
[6]韩伟，贾启芬，邱家俊.异步电机定子的振动与模态分析[J].振动与冲击,2012,31(17):91-94.
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