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干货 永磁电机PWM谐波噪音的原理和优化

作者:德国赌场 发布时间:2019-10-29 07:37 点击数:

  对于永磁同步电机噪音,我们有一种不太严格的相对分类:低频、中频和高频。低频一般和机械因素有关,中频和电机本体电磁特征有关,而高频噪音大都和变频器控制器相关,最突出的是PWM开关频率的电磁噪声。PWM开关频率较高,4K6K8K10K不等,所以这类噪声的主观感觉是特别尖锐和刺耳,穿透能力极强,即便噪音分贝贡献量不大,但主观感官较差,是令人头痛的噪音问题的。

  在最近几个电机NVH优化项目中,蜗牛团队发现,中频的阶次噪音优化相对简单,(如24阶、48阶等)有较成熟的方法和体系。而PWM相关的高频电磁噪音,一般通过控制算法改善。但当无法调整控制器时,从电机侧优化的方法和原理还不明朗,相应的工程优化方法更不成体系。因此,结合项目经验,阐述该问题的原理和方法是有价值的。

  PWM引起的电机啸叫声在噪音或者瀑布图上,有明显的特征,那就是如下图所示的伞状图,噪音的阶次线是以PWM载波频率为中心,左右镜像辐射而出,类似于一把打的半开的雨伞。因此很容易被识别出。在主观感受上,因为频率较高,声音听起来是“吱吱”、“叽叽”的啸叫声,声音尖锐刺耳。听起来不随转速变化而变化。

  为什么会存在PWM谐波噪音频率的问题,这个是变频电机的逆变控制原理有关的,因为逆变器的工作原理就是用一系列占空比大小不一的方波电压,去等效正弦波电压。这些方波电压会在电机侧产生出高频的电流谐波,由电生磁、由磁生力。最终进而产生出和PWM频率相关的电磁噪音。因此这是变频调速电机从娘胎里带来的问题。

  龙生九子各有不同,PWM带来的谐波噪音问题,也会因电机而异,有的电机噪音会低,而有的会较高。这就带来了一系列新的问题:为什么会有差异?如果差,我们如何让自己的电机的噪音更低?

  要想优化PWM谐波噪音,首先要将噪音产生的背后过程,分解成若干环节。分而化之,才能各个击破。这个物理过程如下图所示:谐波电压产生了谐波电流,谐波电流产生了谐波磁密,磁密又产生了电磁力,力作用在结构体上产生的了振动,有振动就有噪音。这五个环节都能着手优化。

  优化电机等效电路,使得PWM谐波电流减小,优化电机磁路使得PWM谐波磁密减少,这些手段是电磁侧优化的路数;

  改善结构整体刚度或者局部刚度,优化振动传递路径则是从结构侧的解决方案。八仙过海各有神通,每种方法的背后都代表了各学科从业者的努力。

  而在电磁侧解决方案中,阻击PWM谐波噪音的首要关卡是谐波电流的优化;同样的PWM谐波电压激励下,电流波形可以毛刺很多如左下图,也可以比较光滑如右下图。显然谐波电流的减小能够抑制电磁噪音。

  如何抑制PWM谐波电流,需要拆开来看谐波电流产生过程。如下图所示,当脉冲方波电压打入电机时,会产生相应周期数的谐波电流。该电流ic随脉冲方波电压的作用时间延长和逐渐上升。显然这可以简化为一个电压-电感的电路问题。在这个电路中,电压小、或者电感大都能使得ic的上升斜率下降,最后降低谐波电流幅值。 因此在无法改变激励电压的情况下,我们第一反应就是增加电机的电感。

  有一系列的手段来增加电感,如梁文毅在文献中所述:将表贴式换成内置式转子,因为气隙减小,d、q轴电感都大幅度增加,使得谐波电流得以优化。

  减少极对数,极数减小了,为了达到相同的反电动势,需要增加磁链,电感也随之增加;

  在匝数和极数都不能调整的情况下,还有两种方法来增加电感。其一是定子侧的方法,通过减小槽口宽度,使得槽漏感增加来增加电感;其二是通过优化磁极结构,使得Lq、Ld都增加的方法。如Prius2017的双层磁极结构就是这类方法。

  如上四种方法,对电感的增加作用都是有限的,为了保证过载能力、效率 ,电感也不能增加过多,因此局限性很多,电磁噪音的优化幅度较小,好在设计操作相对简单,因此可以作为入门的初级手段。在从磁密、电磁力的后续关卡中,阻击电磁噪音,甚至多种手段共用,则为更高级的优化方法。

  通过磁路设计的方法来优化磁密和电磁力是最近发展出的新技术,其目标是在同样PWM谐波电流下,降低谐波磁密,从而降低电磁力。这需要从磁路的具体结构上加以设计调整。要实现这个目标核心的思想是:在磁路上阻滞PWM谐波磁场。PWM谐波要产生力,必然要先产生磁场,而其磁场和基波磁场类似,有特定的回路通道。我们在其必经通道上下文章,就能对其磁场强度产生影响。具体的又有如下两种方式:

  一个是利用转子多层结构,来阻滞高频电磁场,如下图所示,最左边是单V结构的载波频率电磁场分布,可以观察到其磁场强度要明显强于中、右的双V和V一结构(比较箭头大小)。

  还有一种方法是在高频电磁场的关键路径上设置辅助槽,增加其磁路磁阻,也就降低了高频电磁场强度。如下图Leaf电机的转子结构设计就利用到了这种思想。

  实践证明这两种方法都能够降低PWM谐波产生的磁密,但这些方法都有缺陷,它会很大程度上影响电机的其它性能,如第一种方法,利用磁钢去阻挡高频电磁场,会增加磁钢的涡流损耗,第二种办法利用辅助槽去阻挡,虽然不会增加涡流损耗,但会影响铁耗,恶化转矩脉动和齿槽转矩。因此我们需要更全面的平衡设计和更科学的优化流程。

  在优化PWM谐波噪音同时,保证其它指标在合理范围。这是自然而然能够得出的结论,但要实现这一点并不容易。一是靠人手动去调整方案,平衡各目标相当费时费力,而且经常找不到合理的平衡解。因此需要一个称手的多目标优化工具。下图是我们在项目中应用的多目标优化工具,它可以支持三个以上的目标优化,在该6极9槽的项目优化中,我们对6000rpm下的PWM电磁力、6000rpm下的转矩脉动、空载状态下的齿槽转矩作了多目标优化,系统最终能够给出三个目标都相对较优的解。

  但事情没有那么简单,要实现多目标优化,还需要两个前提条件。一如何获得PWM谐波电压激励,另外一个是要获得相应频率的电磁力。其中后者相对比较简单,在做中低频电磁力优化时就已经解决,属于成熟技术。而前者没有现成的工具。传统的方法是通过电路软件和电机软件联合仿真来获得PWM谐波,但这效率太低,考虑到至少要有几百到几千量级的的方案计算量,联合仿真无法应用于优化。为了解决这个难题我们开发了一个简化的版本的PWM电压波发生器。如下图所示,有了它就能够实现在几分钟内完成一个方案的计算。

  仅有一块块砖头是不够的,要完成一个PWM谐波电磁力优化需要打通如下流程。其中PWM发生器和参数化电机模型完成电磁场和电磁力计算,多目标优化算法负责指挥谐波电流和谐波电磁力优化的方向,是精华所在。

  知易行难,方法走通之后还需要实践验证, 在某6p12s的电机应用中,该方法体系取得了良好的优化效果。如下图所示,在保证电机外特性不变的前提下,优化后的方案电流高次谐波明显改善。通过FFT分析后4k附近的一阶PWM谐波含量明显降低。

  在关键阶次的电磁力,包括4K附近的电磁力和6、12、18阶电磁力都有明显的优化。为了保证计算精度,我们最后用了联合仿真作了校核。具体的方案数据,出于保密无法和大家分享。

  特别是在车用驱动电机、压缩机电机等应用中,因为对性能的追求已是极致,往往忽视PWM谐波噪音优化问题。以往对该噪音的治理都偏重在控制器算法侧。将PWM谐波噪音的产生过程解析后,我们发现其实在电磁侧、结构侧都可以下手解决,而且更直接、更方便。在实践中我们从原理出发,打通关键节点,利用多目标优化算法来优化PWM谐波电磁力,在不改变控制算法的前提下,也能取得了良好的效果。希望这套方法体系能够对您有所帮助。


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