科学瞎想系列之九十 NVH那些事(1)

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NVH是近期的一个热点，最近有有许多宝宝问关于NVH的事，希望老师能好好讲讲，OK！接下来就分几期给宝宝们说说这些事。 1 什么是NVH 所谓NVH，就是噪声、不平顺性（Noise、Vibration、Harshness）的英文缩写。这是汽车行业的一个专有名词，是衡量汽车乘坐舒适性的综合性指标。它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。车辆的NVH问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和车辆的NVH问题有关系，而各大公司有近20%的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上。严格讲NVH问题涉及到汽车的所有零部件，但其中起主要作用的是有关动力及传动设备的零部件。作为新能源电动汽车，电机是动力系统的核心零部件，是NVH最主要的激励源，因此，本瞎想系列主要讨论驱动电机的NVH问题，至于其他传动部件，如变速器等等老师也是门外汉，就不班门弄斧了。 2 电机的振动和噪声 关于振动和噪声，老师曾在第六十和六十一期瞎想中介绍了有关振动噪声的基本知识，宝宝们不妨再复习一下。振动和噪声是不可分割的一对双胞胎，噪声是由振动引起的，因此我们先从振动说起。第六十瞎想曾经说过，系统的振动特性取决于两个方面，一是系统本身的固有参数，如系统的惯性、阻尼以及弹性等，这些固有参数决定了系统的固有频率和固有振型，系统在初始激振后产生的振动称为自由振动；二是激振力，在周期性激振力的持续作用下，系统发生受迫振动，受迫振动的频率与激振力的频率一致，其幅值与系统的固有参数和激振力均有关。由此可见，分析和处理振动问题应该从激振力和系统固有参数两个方面着手。我们先说激振力。 在电机运行过程中存在许多激振力，有机械方面的，如：动平衡不好、来自负载或原动机方面的转矩脉动、加工或装配精度不够等；有电磁方面的，如气隙磁场引起的电磁力波等。这里只对电磁振动进行分析。电磁力波又包括径向电磁力波和切向电磁力波，径向电磁力波会使电机铁心发生周期性的变型引起振动，是电磁振动和噪声的主要来源；切向力波主要引起转矩波动、使齿根部发生弯曲变形等，另外转矩波动还会引起转速波动，使轴系发生扭转振动。本期先介绍切向力波引起的电磁转矩脉动。 为了防止不良媒体盗版，这里插播一段广告，喜欢老师瞎想系列的宝宝敬请关注俺的公众号：龙行天下CSIEM

3 转矩脉动的机理及影响因素 电机中的电磁转矩是定转子磁场相互作用的结果，但不是所有的定转子磁场相互作用都会产生转矩，在瞎想系列第六十六期中曾就转矩的形成和脉动进行过详细分析，希望宝宝再认真消化理解一下那篇文章，如果实在理解不了也不要紧，那就记住以下这几条结论： 结论Ⅰ：当定转子磁场的极数相等时就有可能产生转矩，定转子磁场的极数不相等时就不可能产生转矩。 结论Ⅱ：如果定转子磁场极数相同，转速也相同，那么二者就相对静止，二者相互作用就产生一个恒定的转矩，这个转矩的大小取决于两个磁场的大小和相互之间的夹角。 结论Ⅲ：如果定转子磁场极数相同，转速不相等，那么二者相互作用就会产生一个脉动的转矩，这个脉动转矩的大小取决于定转子磁场的大小，脉动频率取决于二者的极数和转速差。 知道了以上几条结论我们就可以分别分析定转子磁场的基波和谐波相互作用产生的各种转矩，进而分析转矩脉动的事了。我们看看定转子磁场分别有哪些基波和谐波，他们的极数和转速又分别具有哪些特征。下面将有一段绕口令式的描述，需要宝宝们能逐字逐句地慢慢研读，每读一句都要停留半分钟去消化理解。为了便于宝宝们理解，先说明一下，下面的描述中凡是说到磁势、磁场之类的术语，都是指空间变量，凡是说到电压、电流都是时变量。 4 定子绕组产生的磁场 ① 定子多相(通常是三相)绕组通入对称三相正弦交流电流时，会产生一个旋转的空间基波磁势和一系列旋转的空间谐波磁势，这些磁势在气隙中产生基波和一系列谐波旋转磁场，其中基波磁场以同步转速旋转，而谐波磁场则各自以不同的转速和转向旋转，基波和谐波旋转磁场的转速均与电流的频率及磁场谐波的次数有关。 ② 当三相绕组中的电流不是纯正的正弦交流电流，而是含有一系列谐波电流时，则谐波电流产生的基波磁场和谐波磁场的转速也会分别发生相应的变化，此时各谐波磁场的转速都与电流谐波频率有关。 ③ 当三相电流不对称时，我们可以把这个不对称的三相交流电流分解成正序的三相对称电流和负序的三相对称电流，正序电流产生正向旋转的磁场，转速为同步转速；负序电流产生反方向旋转的磁场，转速大小也是同步转速，二者合成为一个椭圆的旋转磁场。同理，正负序电流产生的谐波磁场转速也随谐波次数的不同具有相应的转向和转速。 由此可见，定子绕组产生的磁场的极数包括基波磁场极数(主极数)和一系列空间谐波磁场的极数，定子绕组产生的基波磁场和谐波磁场的转速则取决于定子电流的频率和磁场谐波的次数。 5 永磁转子的磁场 以永磁电机为例，当转子采用永磁体励磁时，不同的转子磁路结构也会形成相对于转子的空间基波磁势和一系列空间谐波磁势，转子的基波磁势和一系列谐波磁势同样会产生空间的基波磁场和一系列谐波磁场，当转子以同步转速旋转时，转子基波磁场和谐波磁场都会随着转子一同旋转，即转子的基波磁场和谐波磁场都以同步转速旋转。 为了防止不良媒体盗版，这里插播一段广告，喜欢老师瞎想系列的宝宝敬请关注俺的公众号：龙行天下CSIEM

6 定转子磁场相互作用产生的转矩 根据前面所述的三条结论，分析定转子磁场相互作用的结果如下： ① 转子基波磁场与定子绕组产生的基波磁场极数相同。当定子电流为纯正的正弦波时，二者转速也相同，因此它们相互作用就会产生恒定的转矩，没有转矩脉动，这是我们所需要的；②当定子电流含有谐波时，谐波电流产生的定子基波磁场的转速发生改变，与转子基波磁场转速产生差异，因此谐波电流产生的定子基波磁场与转子基波磁场相互作用就会产生脉动的转矩，脉动的频率与定子电流谐波次数有关。 ② 定转子谐波次数相同的磁场相互作用同样会产生转矩，但由于定子谐波磁场的转速不是同步转速，而转子谐波磁场的转速却全部是同步转速，因此二者极数相同但转速不同，相互作用产生脉动转矩，脉动频率与谐波磁场的次数有关。由于是一系列谐波，所以脉动频率也是一系列的频率。 ③ 当定子电流含有谐波时，谐波电流产生的定子谐波磁场的转速发生改变，也就与转子谐波磁场的转速差发生改变，因此谐波电流产生的定子谐波磁场与转子同次数谐波磁场相互作用所产生的脉动转矩频率也发生变化，这种脉动转矩频率与定子电流谐波次数有关。

④ 定转子不同次数的谐波磁场相互作用产生的转矩为零，即没有恒定转矩也没有脉动转矩。

⑤ 齿槽对转矩脉动的影响。由于定子开有齿槽、转子磁路结构不对称(表贴式除外)等因素的存在，导致气隙磁导不恒定，存在一系列脉动的气隙磁导波。定子齿槽产生的气隙磁导波是静止不动的；而转子磁路不对称产生的气隙磁导波是随转子同步旋转的。这样定子谐波磁势与转子磁导波阶次相同时，就会产生脉动的磁阻转矩，其脉动频率与谐波次数有关，如果这种情况的谐波次数与③④两种情况的谐波次数相同，则转矩脉动频率也相同，但这种情况会使原来同阶次的转矩脉动幅度有所增大。也就是说由于转子磁路不对称引起的转矩脉动阶次如果与③④两种情况的谐波次数相同时，不会新增转矩脉动的频谱阶次，但会放大该阶次的转矩脉动幅度；如果阶次不同，则会增加新的脉动频率。同理，转子谐波磁势与定子齿槽引起的磁导波阶次相同时，同样会产生脉动的磁阻转矩，这个磁阻转矩其实就是传说中的齿槽转矩。齿槽转矩的脉动频率同样可能新增转矩脉动频谱阶次和放大某些阶次的脉动转矩幅值。

⑥ 当定子电流不对称时，由于负序电流产生的基波和谐波磁场转向与正序电流产生的磁场转向不同，与转子磁场相互作用使得转矩脉动的频谱更加丰富，其相互作用的频率关系与前述的原理相同，不再赘述。

综上所述，转矩脉动的频谱非常丰富，所含的频率与定子绕组结构、定子电流波形、定子电流的对称度、转子磁路结构、定子齿槽数及槽型等多种因素有关。 估计看完以上这些绕口令式的描述，许多宝宝又有点晕菜，慢慢消化吧。许多宝宝给老师提意见，说每篇瞎想的篇幅过长，好多内容没有耐心去慢慢消化，希望以后篇幅能短点，OK，老师就采纳这些宝宝的意见，今天就先说这些，下期我们详细说说各种磁场基波和谐波都有哪些，它们的频率特征都是什么。