一种多相永磁电机高频振动快速分析方法及其抑制策略与流程

1.本申请涉及永磁电机技术领域，具体而言，涉及一种多相永磁电机高频振动快速分析方法及其抑制策略。


背景技术：

2.永磁电机具高功率密度、高效率、结构简单、易于控制等优点，已被广泛应用各种功率等级的场合。
3.多相永磁电机绕组相数较多，电枢反应磁动势具有较高的正弦度，因此相比于传统的三相永磁电机，多相永磁电机在转矩脉动、振动噪声等性能上具有先天优势。再通过优化电机结构设计、改进控制算法等方式，电机可具备优越的低频段振动噪声特性。因此多相永磁电机已应用于舰艇推进、高精度伺服系统、电气化交通等振动噪声性能要求较高的领域。
4.但是，由于现代电机多采用pwm逆变器供电，电流中存在电力电子器件开关频率倍频及其边频的高频谐波，高频电流谐波激发出高频磁场，进而带来高频振动噪声，成为当前制约高性能永磁电机系统振动噪声性能的关键瓶颈问题。更具体地，对于大容量舰艇推进电机系统，受限于电力电子器件的损耗，逆变器的开关频率一般较低，导致高频振动噪声线谱落入声呐敏感探测频带，或人耳的听觉范围频带内，给舰艇的隐身性和舒适性带来恶劣影响。
5.针对上述问题，首先要精确快速地分析计算高频振动，才能针对性的提出抑制方法。电机高频振动分析方法可分为两个大步骤：电磁振源分析计算和结构振动计算分析，其中电磁振源计算分析可细分为电流谐波计算和高频电磁力计算。现有方法都存在一定程度的不足。
6.电流谐波分析计算方面，现有方法大多借助于电力电子电路仿真软件，如plecs、matlab-simulink，该方法前期需花费大量时间搭建并调试模型。根据香农采样定理，若不失真地分析高频谐波，仿真模型的采样频率应大于所分析频率的2倍，导致仿真模型运行时间较长。
7.电磁力分析计算方面，现有方法主要针对由电机基波电流、低次谐波电流与永磁体基波、低阶谐波相互作用产生的低频低阶电磁力波。一般是采用有限元法或解析法先求得电机气隙中心线或定子内圆线磁密分布，再通过麦克斯韦应力张量法求得电磁。研究发现，当应用载波移相技术后，高频电流谐波所激发的磁通中，绝大多数为定子槽漏磁通和齿顶漏磁通，而穿过气隙的主磁通占比则很少。但是，现有高频电磁力的分析计算方法仍沿用了低频低阶电磁力研究中以气隙磁密为分析对象的常规思路，考虑不到槽漏磁通产生的电磁激振力，故不能精确定量分析高频电磁力。
8.结构振动分析计算方面，统计能量法是高频声振系统动力学问题的主要方法，即利用能量描述子系统的状态，再利用功率流平衡方程描述耦合子系统间的相互作用，最后换算成所需的响应。电机子系统的耦合损耗因子和内损耗因子需通过大量实验测量，实验
过程繁琐。并且，实际电机系统不能完全满足统计能量法的假设限制条件，现有方法的改进亟待进一步研究。
9.高频振动抑制策略方面，载波移相pwm技术是一条有效的技术路线。通过移动载波的相位，进而改变高频谐波电流的相位，实现电机高频磁场的抵消，抑制特征频率的电磁振源。载波移相pwm技术副作用是高频电流谐波增大，系统损耗增加。现有策略主要为：同槽布置的两套绕组由两独立逆变器供电，根据pwm调制方式，将两逆变器的载波移相90度或180度。然而，其他针对绕组形式的多相电机，载波移相策略尚不明确。
10.综上所述，现有分析计算方法不能完全满足计算精确性的要求，且计算前需做大量准备工作，难以兼顾精确性和快速性。且现有的载波相移策略主要针对两套绕组同槽布置的特殊绕组形式，这种载波相移策略对于多相电机而言并非最优载波移相策略。


技术实现要素：

11.为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种多相永磁电机高频振动快速分析方法及其抑制策略。
12.第一方面，本申请实施例提供了一种多相永磁电机高频振动快速分析方法，所述方法包括：
13.s1、基于各逆变单元的载波移相角与pwm逆变器供电多相永磁电机的电机工况，解析计算所述pwm逆变器供电多相永磁电机电流的时域波形；
14.s2、基于所述电流的时域波形，运用磁导分布特征函数法计算得到电机定子各齿所受电磁力的时域波形；
15.s3、通过二维傅里叶分解所述电机定子所受电磁力的时域波形，并选择零阶电磁力高频分量为参考量，基于所述参考量间接分析电机高频振动。
16.优选的，所述步骤s1包括：
17.s11、建立逆变器输出pwm脉冲波形的3d数学模型，构建电压时域波形解析表达式；
18.s12、将各逆变单元的载波移相角和pwm逆变器供电多相永磁电机的电机工况输入所述表达式，得到逆变器输出电压的时域波形；
19.s13、将所述逆变器输出电压的时域波形导入多相永磁电机状态方程，得到所述pwm逆变器供电多相永磁电机电流的时域波形。
20.优选的，所述步骤s2包括：
21.s21、基于磁导分布特征函数和所述多相永磁电机电流的时域波形计算得到定子表面磁密分布；
22.s22、对所述定子表面磁密分布运用麦克斯韦张量法计算得到定子齿部所受电磁力的时域波形。
23.优选的，所述步骤s3包括：
24.s31、对所述电机定子所受电磁力的时域波形进行二维傅里叶分解，得到各阶次电磁力的频谱；
25.s32、从所述各阶次电磁力的频谱中选择零阶电磁力高频分量为参考量，基于所述参考量间接分析高频振动。
26.第二方面，本申请实施例提供了一种多相永磁电机高频振动抑制策略，所述抑制
策略包括如下方法：
27.s4、设置各逆变单元的载波移相角，基于所述一种多相永磁电机高频振动快速分析方法计算得到零阶电磁力高频分量，将所述零阶电磁力高频分量幅值最小时的载波移相角组合确定为最优载波移相策略；
28.s5、调整电机系统各相逆变单元的pwm载波相位角为所述最优载波移相策略对应的所述载波移相角组合。
29.本发明的有益效果为：
30.(1)多相永磁电机电流谐波解析计算方法，基于pwm脉冲波形3-d数学模型和电机状态方程，物理概念清晰直观。相对于现有电路仿真软件，计算效率高，通用性强，易于与其他模型结合。
31.(2)运用磁导分布特征函数法计算电机各齿所受电磁力，该方法在采用载波移相技术后气隙高频磁场严重畸变的情况下，仍能够准确地定量计算电机定子物理表面高频电磁力的时空分布。
32.(3)选取零阶电磁力高频分量间接分析高频振动，省去了高频声振系统结构动力学计算，提高了计算效率，但是仍能够正确表征载波移相对高频振动的影响。
33.(4)高频振动抑制策略，无需额外滤波器等额外硬件，即可实现高频电磁力相互抵消，改善高频振动噪声问题。
附图说明
34.为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本申请实施例提供的一种多相永磁电机高频振动快速分析方法的流程示意图；
36.图2为本申请实施例提供的pwm脉冲波形3d数学模型的举例示意图；
37.图3为本申请实施例提供的磁导分布特征函数的举例示意图；
38.图4为本申请实施例提供的一种多相永磁电机高频振动抑制策略的流程示意图；
39.图5为本申请实施例提供的十二相永磁电机绕组结构及系统框架的举例示意图；
40.图6为本申请实施例提供的载波移相pwm的举例示意图；
41.图7为本申请实施例提供的十二相永磁电机零阶电磁力2倍载波频率分量随载波移相角的变化趋势的举例示意图；
42.图8为本申请实施例提供的十二相永磁电机机脚振动加速度2倍载波频率分量随载波移相角的变化趋势的举例示意图。
具体实施方式
43.下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
44.在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本申请的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并
组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征a、b、c，另一个实施例包含特征b、d，那么本申请也应视为包括含有a、b、c、d的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
45.下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本申请内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。
46.参见图1，图1是本申请实施例提供的一种多相永磁电机高频振动快速分析方法的流程示意图。在本申请实施例中，所述方法包括：
47.s1、基于各逆变单元的载波移相角与pwm逆变器供电多相永磁电机的电机工况，解析计算所述pwm逆变器供电多相永磁电机电流的时域波形。
48.在一种可实施方式中，步骤s1包括：
49.s11、建立逆变器输出pwm脉冲波形的3d数学模型，构建电压时域波形解析表达式；
50.s12、将各逆变单元的载波移相角和pwm逆变器供电多相永磁电机的电机工况输入所述表达式，得到逆变器输出电压的时域波形；
51.s13、将所述逆变器输出电压的时域波形导入多相永磁电机状态方程，得到所述pwm逆变器供电多相永磁电机电流的时域波形。
52.在本申请实施例中，pwm调制是产生高频振动噪声的根本原因，因此本申请首先将建立pwm脉冲波形的3d数学模型，即构建pwm调制策略及电机工作参数(如调制方法、采样策略、载波频率、载波相位、基波频率和基波相位等)与逆变器输出电压时域波形的解析函数关系式，以此来解析计算电压时域波形。接着将电压时域波形导入至电机状态方程中，通过数值积分得到电流时域波形。
53.在建立3d数学模型的过程中将死区时间非理想因素考虑在内，即在输出电压表达式中加入由死区时间引入的修正分量，使得pwm脉冲波形3d数学模型与实际逆变单元更加贴切。
54.具体的，如图2所示，图2是本申请实施例提供的pwm脉冲波形3d数学模型的举例示意图，此实例为三电平h桥拓扑结构，并采用自然采样spwm调制。通过载波与调制波比较生成驱动信号，调制波和载波交点即pwm波形电平交换时刻。交点处载波相位角θ随调制波相位角δ而变化，定义交点相位角函数θ(δ)，即θ-δ平面中交错的正弦曲线。随着时间推展，直线p向前延伸，其斜率等于调制波频率与载波频率之比。p与相位角函数的交点即电平变化时刻。3d模型中，设pwm脉冲波形为θ和δ的二元函数f(θ，δ)，平面p与交点相位角函数θ(δ)围成的立体图形相交，截面投影到f(θ，δ)-θ平面，形成pwm脉冲波形。
55.s2、基于所述电流的时域波形，运用磁导分布特征函数法计算得到电机定子各齿所受的电磁力时域波形。
56.在一种可实施方式中，步骤s2包括：
57.s21、基于磁导分布特征函数和所述多相永磁电机电流的时域波形计算得到定子表面磁密分布；
58.s22、对所述定子表面磁密分布运用麦克斯韦张量法计算得到定子齿部所受电磁力的时域波形。
59.在本申请实施例中，之所以引入磁导分布特征函数，是因为当应用载波移相技术后，高频电流谐波所激发的磁通中，绝大多数为槽漏磁通和槽顶漏磁通，而穿过气隙的主磁通占比则很少，气隙磁场不能够准确表征电机定子实际物理表面的真实磁密分布。而通过磁导分布特征函数和相电流，可准确描述定子实际物理表面的真实磁密分布。在确定定子实际表面磁密分布的物理量后，运用麦克斯韦张量法即可计算得到定子齿部径向电磁力的时空分布并确定电磁力。
60.具体的，如图3所示，图3是本申请实施例提供的磁导分布特征函数的举例示意图。首先，通过静态磁场有限元离线提取单一相电流激励下定子齿顶、齿壁等定子表面的磁密分布，再根据空间对称性及磁场叠加原理，通过简洁的矩阵表达形式，建立电机在电枢各相电流(包含pwm高频谐波电流)作用下，定子各边界磁密的矩阵表达形式。接着，计算永磁体在上述边界产生的磁场分布并将电枢反应和永磁体两者在定子边界产生的磁场进行叠加，求得实际磁场分布。最后，分别运用麦克斯韦张量法计算定子齿表面的电磁力分布。
61.s3、通过二维傅里叶分解所述电机定子所受电磁力的时域波形，并选择零阶电磁力高频分量为参考量，基于所述参考量间接分析电机高频振动。
62.在一种可实施方式中，步骤s3包括：
63.s31、对所述电机定子所受电磁力的时域波形进行二维傅里叶分解，得到各阶次电磁力的频谱；
64.s32、从所述各阶次电磁力的频谱中选择零阶电磁力高频分量为参考量，基于所述参考量间接分析高频振动。
65.在本申请实施例中，依据针对零阶电磁力和机脚振动加速度的前期实验结果，其二者高频特征点的幅值随载波移相角的变化趋势高度吻合，故选取零阶电磁力高频分量为研究对象，根据零阶电磁力高频分量的分析结果即可间接分析高频振动。
66.参见图4，图4是本申请实施例提供的一种多相永磁电机高频振动抑制策略的流程示意图。在本申请实施例中，所述抑制策略包括如下方法：
67.s4、设置各逆变单元的载波移相角，基于权利要求1-4所述的一种多相永磁电机高频振动快速分析方法计算得到零阶电磁力高频分量，将所述零阶电磁力高频分量幅值最小时的载波移相角组合确定为最优载波移相策略；
68.s5、调整电机系统各相逆变单元的pwm载波相位角为所述最优载波移相策略对应的所述载波移相角组合。
69.具体的，如图5所示，图5是本申请实施例提供的十二相永磁电机绕组结构及系统框架的举例示意图。电机定子绕组结构采用叠绕组，线圈节距等于极距，每极每相槽数为1，每一相绕组单独布置于一个定子槽内。十二相绕组可分为四套互差15度电角度的三相绕组。每相绕组两端引出，由独立的h桥逆变单元供电，逆变单元采用不对称规则采样双极性spwm调制策略。由于各相绕组由独立逆变单元供电，故有十二个载波移相“自由度”。
70.具体的，如图6所示，图6是本申请实施例提供的载波移相pwm的举例示意图。载波移相pwm技术利用了“载波间的相位差”这一自由度，通过将两逆变器的载波错开一个角度θ，使特定载波频带的电压谐波相位相差kθ(k＝1,2,3
…
)，进而改变相电流高频谐波的相
位，其中k取决于具体pwm调制方式以及谐波频率。
71.具体的，如图7所示，图7是本申请实施例提供的十二相永磁电机零阶电磁力2倍载波频率分量随载波移相角的变化趋势的举例示意图。利用本发明实现的高频振动快速分析方法，分别计算了图5所示电机在三种载波移相模式下不同载波移相角时，零阶电磁力2倍载波频率分量的幅值。其中“单相”表示十二相绕组中仅一相应用载波移相，“单套”表示四套三相绕组有一套应用载波移相，“两套”表示间隔30度电角度的两套三相绕组应用载波移相。由图可见，三条曲线均关于“载波移相角＝90
°”
轴对称，且在该处电磁力幅值取得最小值。对比无载波移相，三种载波移相模式电磁力幅值分别下降了16.7％、50.1％、99.9％。由图可见综上所示，选定两套模式载波移相90度为最优载波移相策略方式。
72.具体的，如图8所示，图8为本申请实施例提供的十二相永磁电机机脚振动加速度2倍载波频率分量随载波移相角的变化趋势的举例示意图。由图可见，三条曲线均关于“载波移相角＝90
°”
轴对称，且在该处振动加速度幅值取得最小值。对比无载波移相，振动加速度幅值分别下降了23.6％、51.6％、96.6％。零阶电磁力和振动加速度随载波移相角的变化趋势高度吻合，证明了本申请所提出的选取零阶电磁力高频分量间接分析高频振动的合理性，间接证明了本发明步骤s101和步骤s102计算结果的正确性，同时证明了最优载波载波移相策略抑制高频振动的有效性。
73.以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。