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新能源汽车用分数槽集中绕组永磁同步电机振动分析与结构优化

1.引言

1.1新能源汽车发展背景及电机振动问题

新能源汽车作为国家战略新兴产业之一，是我国从汽车大国迈向汽车强国的重要途径。随着能源危机和环境污染问题的日益严重，新能源汽车的推广和应用显得尤为重要。电机作为新能源汽车的核心部件之一，其性能的优劣直接关系到新能源汽车的性能和续航里程。

然而，在电机的运行过程中，振动问题一直是困扰电机性能提升的关键因素。特别是在高速运行时，振动会导致噪声增加，影响乘坐舒适性，严重时甚至会影响电机的稳定运行。因此，对新能源汽车用电机振动问题的研究具有重要的现实意义。

1.2分数槽集中绕组永磁同步电机简介

分数槽集中绕组永磁同步电机因其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点，在新能源汽车领域得到了广泛应用。该类型电机采用分数槽绕组设计，可以有效降低齿槽转矩，提高电机运行效率；同时，集中绕组设计有助于提高电机的功率因数和转矩密度。

1.3研究目的与意义

本研究旨在分析新能源汽车用分数槽集中绕组永磁同步电机的振动特性，并提出相应的结构优化方法，以降低电机振动，提高新能源汽车的运行稳定性和乘坐舒适性。研究成果对于推动新能源汽车用电机振动控制技术的发展，提高我国新能源汽车的整体性能和市场竞争力具有重要的理论和实践意义。

2.分数槽集中绕组永磁同步电机振动理论分析

2.1振动产生原因及分类

分数槽集中绕组永磁同步电机在运行过程中，振动主要来源于电磁力和机械力。电磁力主要由定子与转子之间的电磁相互作用产生，包括径向力和轴向力；机械力则由转子不平衡、轴承故障等因素引起。

振动的分类可以根据振动频率、振动的物理本质以及产生机理进行划分。按频率可分为：

基频振动：与电机旋转速度同步，主要由转子偏心引起。

高频振动：主要与电机的电磁设计有关，如分数槽引起的空间谐波。

超声波振动：频率超过人类听觉范围，通常由电机的电磁过程引起。

按物理本质可分为：

弹性振动：由电机结构元件（如定子、转子、轴承等）的弹性变形引起。

粘性振动：由转子与定子间的摩擦力产生。

磁致振动：由电磁力引起的结构振动。

2.2振动数学模型

为了对分数槽集中绕组永磁同步电机振动进行理论分析，建立了以下数学模型：

电磁力模型：根据麦克斯韦张量方程，计算电磁力的大小和方向。

结构动力学模型：采用有限元方法（FEM）建立电机的结构动力学模型，考虑材料特性、几何结构、边界条件等因素。

控制方程：结合电磁力和结构动力学模型，得到描述电机振动的偏微分方程。

通过求解该数学模型，可以得到电机在不同运行状态下的振动特性。

2.3振动特性分析

对数学模型进行数值求解和分析，可以得出以下振动特性：

振动频率分布：与电机的电磁设计和机械结构密切相关，分数槽集中绕组电机具有较高的空间谐波含量。

振动幅度：受电磁力和机械力的影响，振动的幅度可以通过计算得到。

振动模式：包括定子、转子和整个电机的振动模式，通过模式分析可以识别振动的来源和传播路径。

通过振动特性分析，为后续的实验研究和结构优化提供了理论基础。

3新能源汽车用分数槽集中绕组永磁同步电机振动特性实验研究

3.1实验设备与方案

本研究采用的实验设备主要包括新能源汽车用分数槽集中绕组永磁同步电机、电机控制器、数据采集系统、振动测试系统以及相关的辅助设备。实验电机参数如表所示：

参数名称

参数值

额定功率

80kW

额定转速

3000rpm

极数

4

绕组接法

星形

槽分数

9/8

永磁体材料

稀土钕铁硼

实验方案分为以下步骤：

在不同转速下，对电机进行空载和负载运行，测量电机的振动加速度。

改变电机负载，记录不同负载下电机的振动特性。

对比不同转速、不同负载下电机的振动数据，分析振动变化规律。

3.2实验结果与分析

实验结果表明，新能源汽车用分数槽集中绕组永磁同步电机在运行过程中，振动加速度与转速、负载存在一定的关系。

随着转速的增加，电机振动加速度呈现先增大后减小的趋势，主要原因是转速增加导致电磁力波频率变化，使得振动加速度达到最大值。

随着负载的增加，电机振动加速度呈现逐渐增大的趋势，主要原因是负载增加导致电机输出转矩增大，使得电机各部件受力增大，振动加速度增大。

通过对实验数据的分析，可以得出以下结论：

分数槽集中绕组永磁同步电机在运行过程中，振动主要受到电磁力波的影响。

优化电机结构参数和控制器参数可以降低电机的振动加速度，提高电机的运行稳定性。

3.3实验结果与理论分析对比

将实验结果与第2章的理论分析进行对比，可以发现：

实验结果与理论分析在振动加速度的变化趋势上具有较好的一致性，验证了理论分析的正确性。

在具体数值上，实验结果与理论分析存在一定的误差，主要原因是理论分析中忽略了电机内部的一些非线性因素，如材料特性、制造误差等。

通过