轉子斜極的案例
新能源汽車技術 | 轉子不同方式分段斜極對永磁同步電機噪聲的影響
由于72階電磁力密度最大，重點分析不同斜極方式下72階電磁力對振動噪聲的影響。
2
基于ANSYS有限元軟件的振動噪聲仿真分析
為了驗證不同分段斜極方式對電機振動噪聲的影響，應用ANSYS有限元法對PMSM振動噪聲進行仿真分析。該純電動客車驅動用PMSM采用12極72槽的配合方式，轉子分段斜極一個定子齒距5°，分別建立不同方式的轉子分段斜極的電磁模型進行振動噪聲仿真。
2.1 轉子分段斜極方式及段數選取
轉子分段斜極不僅能夠削弱諧波，優化齒槽轉矩和轉矩脈動，還能有效降低徑向電磁力造成的振動噪聲[14]。
轉子斜極方式和分段數的選取均對電機的振動噪聲有影響。本文將轉子鐵心分為6段，對轉子進行
分段不斜極、Z型斜極、單邊斜極和雙邊斜極
的處理，分別對4種轉子進行振動噪聲的仿真分析，如圖3所示。
展開 轉子斜極對永磁輪轂電機性能影響的研究
(2) 通過有限元軟件計算了轉子斜極對齒槽轉矩的影響，得出當永磁體傾斜角度為4°時齒槽轉矩幅值最小。
(3) 通過有限元軟件計算了轉子斜極對反電動勢的影響，得出反電動勢基波幅值隨著傾斜角度的增加而下降。波動轉矩系數隨著永磁體傾斜角度的增加逐漸減小，當傾斜角度為6°時，非正弦度系數最小。
(4) 通過有限元軟件計算了轉子斜極對電磁轉矩的影響，最終本文選取永磁體斜極4°作為所設計的永磁輪轂電機轉子斜極的最佳角度。
轉子斜極對永磁輪轂電機性能影響的研究
(2) 通過有限元軟件計算了轉子斜極對齒槽轉矩的影響，得出當永磁體傾斜角度為4°時齒槽轉矩幅值最小。
(3) 通過有限元軟件計算了轉子斜極對反電動勢的影響，得出反電動勢基波幅值隨著傾斜角度的增加而下降。波動轉矩系數隨著永磁體傾斜角度的增加逐漸減小，當傾斜角度為6°時，非正弦度系數最小。
(4) 通過有限元軟件計算了轉子斜極對電磁轉矩的影響，最終本文選取永磁體斜極4°作為所設計的永磁輪轂電機轉子斜極的最佳角度。
轉子分段移位斜極的永磁同步電機軸向電磁力分析
(a) V形反對稱移位斜極
(b) 交叉反對稱移位斜極
圖9 兩種分6段移位斜極二維拓撲結構圖
圖10、圖11和表5為兩種反對稱分布結構軸向電磁力和電磁性能仿真結果。
(a) V形反對稱移位斜極
(b) 交叉反對稱移位斜極
圖10 兩種轉子反對稱分布結構軸向電磁力仿真結果
圖11 兩種轉子反對稱分布結構的轉矩仿真結果
表5 兩種轉子反對稱結構的軸向
電磁力和電磁性能仿真結果
注：諧波含量為反電動勢基波。
由此可見，在相同工況下，由于兩者在徑向上均等效于轉子線性分3段斜極，因此各項電磁性能均較為接近。與線性移位結構相比，V形反對稱和交叉反對稱分布結構的軸向電磁力幅值有明顯下降，并且前者抑制效果更佳，其原因是V形反對稱移位角均為2.5°，沿軸向均勻排布，后者有兩個相鄰5°的移位角，形成較大不平衡的漏磁通，難以完全抵消，導致合成軸向電磁力略大。
4 結 語
通過對永磁轉子分段移位斜極后的磁場分析可知，永磁同步電機軸向電磁力主要由繞組端部漏磁和永磁轉子磁極間的移位漏磁引起；經ANSYS三維電磁有限元仿真實驗表明：永磁轉子移位磁極段間的移位漏磁是產生不平衡軸向電磁力的主要原因。
揭示了電機軸向力與永磁轉子拓撲結構及其移位磁極分塊數和定子電流幅值之間的內在關系：隨著定子電流幅值的增加，軸向電磁力呈線性增大，當電流幅值較大時，磁路出現飽和，軸向電磁力增大速度減緩；轉子線性移位斜極分段數越多、總移位角越大，軸向電磁力亦越大。
展開 
電動汽車NVH優化
2.2 電機斜極設計
定子斜槽或轉子斜極使徑向力沿電機長度方向出現相位移，降低平均徑向力，減小電機振動和噪聲。對轉子進行4 段式斜極優化設計后，純電加速工況下，車內48 階噪聲和電驅總成48 階振動都有明顯的改善，如圖3 和圖4 所示。
圖3 某新能源車電機斜極優化前后車內48 階噪聲對比
圖4 某新能源車電機轉子斜極優化前后電驅48 階振動對比
2.3 齒輪改進
純電模式下，整車以60～20 km/h 的速度帶擋滑行，電驅27 階嘯叫明顯，如圖5 所示，識別為減速器1 級傳動齒輪嚙合階次。通過對此齒輪進行修形，使其接觸斑更合理，同時為齒輪輪輻增加減重孔。優化后，27 階嘯叫改善整體均超過10 dB；54 階噪聲在3 000 r/min以上轉速段改善明顯（約4～6 dB），如圖5 所示。齒輪修形要兼顧不同工況和階次優化，盡量改善多數工況嘯叫，且不能使某一工況或階次大幅惡化。
展開 車用永磁同步電機的電磁噪聲分析與抑制
對轉子輔助槽的張角θ和深度h采用雙變量變化的方法進行研究，表3為其不同組合下的齒槽轉矩峰峰值。由表3可知，在( θ,h）=( 150。，1 mm）、（ 140。，1.2 mm）和（130° , 1.6 mm）處齒槽轉矩較小。考慮輔助槽的深度和張角對硅鋼片工藝、壽命和轉子強度的影響，選擇（θ,h)=( 140。，1.2 mm）o至此確定了輔助槽的3個尺寸，齒槽轉矩峰峰值由原始的1.67 N m下降為0.67 N m,幅值下降了 59.9% .
2.1.2 轉子分段斜極
如圖7所示，本文采用轉子單邊分段斜極結構,每極永磁體沿軸向分成等長、多段，且多段
永
磁體沿圓周方向依次錯開一定角度。
當磁極分段數為K’時,轉子分段斜極后徑向電磁力波的平均值凡為feq
式中:fv、v\ωv和?v分別為徑向電磁力波的幅值、階次、電角頻率和相位角;θ為機械角度Ksk為轉子分段的斜極系數，表達式為
式中:LCM為最小公倍數函數;ξ為齒諧波階數;Ns為定子槽數;P為極對數。
由式(3) ~式(5)可以看出，轉子分段斜極對電磁力波的影響與轉子分段數和斜極移位角關系
密切。
2.1.3 轉子開輔助槽加分段斜極
為進一步優化電磁力波，在轉子開輔助槽的基礎上,針對一階齒諧波對轉子進行分段斜極。圖8為兩種方法共同作用下的氣隙磁密的波形,分段斜極的氣隙磁密為每段氣隙磁密的矢量疊加后的平均值。表4為轉子開輔助槽加分段斜極方法下的氣隙磁密和齒槽轉矩數據。
由圖8和表4可知，轉子分段斜極可以進一步優化氣隙磁密和齒槽轉矩，氣隙磁密THD值由｝降為13.97%?14.62%，齒槽轉矩由0.67 N-m下降為0.1?0.19 N m。
展開 【NVH專欄】三合一電驅動系統振動噪聲分析研究
文獻[4]指出電磁振動是定子與轉子間徑向力、切向力的脈動引起的；文獻[5]研究了轉子不同斜極方式對電機電磁力的影響,發現轉子斜極可以有效降低徑向力波,機械噪聲主要由減速器齒輪嚙合和控制器結構振動所產生。
本文對某新型三合一電驅動系統進行振動噪聲測試,發現控制器蓋板發生共振,輻射出強烈的噪聲;提出從“源”與“接受者”(電機激勵與控制器蓋板)進行優化,通過對轉子開槽減小徑向電磁力波,通過對蓋板進行加筋與加厚處理,增加蓋板的剛度。試驗結果表明,優化后的驅動系統噪聲水平顯著降低。
1 驅動系統振動噪聲產生機理
1.1 驅動電機徑向電磁力分析
電機中,主磁通沿徑向進入氣隙,并在轉子和定子上產生徑向力,從而引起電磁振動和噪聲。作用于定子鐵芯內表面單位面積上的徑向電磁力[6]可以表示為:
(1)
其中:b(θ,t)為氣隙磁密;μ0=4π×10-7H/m;θ為空間角度;t為時間。
當忽略飽和時,氣隙磁密為:
b(θ,t)=f (θ,t) λ(θ,t)
(2)
其中:λ(θ,t)為氣隙磁導;f (θ,t)為氣隙磁勢。
在電機振動問題中,可能引起電機強烈振動噪聲的力波具有以下3個特點:① 力波的幅值較大;② 力波的階次較低;③ 力波的力型及變化頻率與結構的振型及固有頻率接近,易引起共振。由于驅動系統采用的是8極48槽永磁同步電機,主要關注定子磁場一階齒諧波與轉子諧波磁場調制出的低階次力波,其階次和頻率分別為:
n=μ±v=(2r+1)p±(p±Z1),
r=0,1,2,3,…
(3)
r=0,1,2,3,…
(4)
其中:p為極對數;Z1為定子槽數。
展開 三合一電驅動系統振動噪聲分析研究
文獻[4]指出電磁振動是定子與轉子間徑向力、切向力的脈動引起的；文獻[5]研究了轉子不同斜極方式對電機電磁力的影響,發現轉子斜極可以有效降低徑向力波,機械噪聲主要由減速器齒輪嚙合和控制器結構振動所產生。
本文對某新型三合一電驅動系統進行振動噪聲測試,發現控制器蓋板發生共振,輻射出強烈的噪聲;提出從“源”與“接受者”(電機激勵與控制器蓋板)進行優化,通過對轉子開槽減小徑向電磁力波,通過對蓋板進行加筋與加厚處理,增加蓋板的剛度。試驗結果表明,優化后的驅動系統噪聲水平顯著降低。
1 驅動系統振動噪聲產生機理
1.1 驅動電機徑向電磁力分析
電機中,主磁通沿徑向進入氣隙,并在轉子和定子上產生徑向力,從而引起電磁振動和噪聲。作用于定子鐵芯內表面單位面積上的徑向電磁力[6]可以表示為:
(1)
其中:b(θ,t)為氣隙磁密;μ0=4π×10-7H/m;θ為空間角度;t為時間。
當忽略飽和時,氣隙磁密為:
b(θ,t)=f (θ,t) λ(θ,t)
(2)
其中:λ(θ,t)為氣隙磁導;f (θ,t)為氣隙磁勢。
在電機振動問題中,可能引起電機強烈振動噪聲的力波具有以下3個特點:① 力波的幅值較大;② 力波的階次較低;③ 力波的力型及變化頻率與結構的振型及固有頻率接近,易引起共振。由于驅動系統采用的是8極48槽永磁同步電機,主要關注定子磁場一階齒諧波與轉子諧波磁場調制出的低階次力波,其階次和頻率分別為:
n=μ±v=(2r+1)p±(p±Z1),
r=0,1,2,3,…
(3)
r=0,1,2,3,…
(4)
其中:p為極對數;Z1為定子槽數。
展開 新能源汽車電驅動系統平臺化發展情況淺析
圖14 135kW電驅平臺
表3 15kW電驅平臺參數
5.2 150kW電驅動系統平臺
技術特點：
同軸行星系集成設計，結構緊湊，更易于整車布置；
殼體結構強度和NVH優化；
行星系速比可調范圍大，具有更大的扭矩容量；齒輪受載均勻且軸向載荷小，利于軸承和油封選型；
電機發卡式扁線繞組，高槽滿率、高效率軸承、少油量、總成最高效率93% ；
驅動電機定子低諧波繞組結構，轉子三段斜極式，高齒輪重合度，NVH性能優異；
電子駐車可選；
適用于搭載中高端乘用車、商務車等多種車型。
圖15 150kW電驅平臺
表4 150kW電驅平臺參數
5.3 150kW同軸電驅動橋
技術特點：
同軸式設計，尺寸更緊湊，易于整車布置；
高強度結構，與電機、橋管集成一體式設計，可搭載3.5t以下皮卡、廂貨等商用車；
驅動電機發卡式扁線繞組，高槽滿率，高效率軸承，少油量，總成最高效率93% ；
驅動電機定子低諧波繞組結構，轉子三段斜極式,高齒輪重合度，NVH性能優異；
采用高強度鋁殼體，重量更輕；
電子駐車、機械差速鎖可選。
圖16 150kW電驅系統平臺
表5 150kW電驅平臺參數
5.4 35kW減速器
技術特點：
分體式設計，可靈活搭載多種電機；
高扭矩容量，輸出扭矩可擴展至1800Nm；
極限轉速12000rpm，可擴展至14000rpm；
高齒輪重合度，NVH性能優異；
高效率球軸承，最高傳動效率98%；
適用于A00 , A0級車型。
展開 Ansys電機及其控制系統解決方案
? 內嵌2D瞬態有限元
? 全自動設置剖分和邊界條件
? 高級計算功能：磁鋼渦流損耗；導條渦流損耗；繞組交流損耗
? Dxf模型導入
? 腳本編輯幾何模型
? 用戶自定義電流波形
? 用戶自定義斜極斜槽
Motor-CAD Lab
? 效率Map圖和損耗Map圖
? 峰值轉矩轉速曲線計算
? 連續轉矩轉速曲線計算
? 運行周期性能分析
? 開路和短路分析
? 考慮電機控制策略
? 計算任意運行周期內的損耗、效率和功率
? 計算電機溫度隨時間變化的曲線
? 計算過程中損耗、磁鋼性能考慮溫度影響
Motor-CAD與Maxwell的接口
Motor-CAD與TwinBuilder的接口
Ansys以往工具與Motor-CAD的區別
電機電磁性能分析
電機有限元分析
支持多種運動形式
永磁電機退磁分析
電機整體充磁分析
扁線電機的渦流損耗計算
電機環流計算
磁鋼渦流損耗計算
二維等效斜極斜槽分析
效率Map圖計算
繞組自動設置Toolkit
電磁力二維FFT
繪制電磁力瀑布圖
電機振動與噪聲分析
Ansys電機本體振動噪聲分析解決方案
? 精度高
? 結果基于物理場
? 靈活且易用
? 統一平臺統一的模型參數化平臺；統一的優化平臺；數據無縫鏈接
Ansys電機本體振動噪聲分析流程
支持轉子分段斜極的電磁力映射
? Maxwell2D skew功能可處理多個
展開 新功能 | Ansys Maxwell 2021 R2 新版功能要點
最新版Ansys Maxwell 2021 R2是2021年的第二個版本，該版本主要增強了以下幾點功能：斜極建模功能增強、3D瞬態場求解器支持非線性阻抗邊界、DDM(區域分解）自動設置算法功能增強、支持溫度相關的BH退磁曲線、支持單個物體的渦流損耗和鐵耗輸出、集成了用于無線充電仿真的3D Components模型庫、A-Phi 求解器功能增強、多物理場耦合功能增強 、新3D AC Conduction求解(Beta)、Ansys Maxwell – PHI Mesh、推出電子桌面學生版等等。本文將對上述功能進行簡要介紹。
01、斜極建模功能增強
自2021 R2版本開始，軟件支持分別設置轉子及定子Skew，同時支持多種Skew形式，如Continuous(連續)、Step(一字分段)、V-Shape(V字分段)、User Defined(用戶自定義模式，允許用戶手動設置任意分段數和skew角度)，其中V形斜極和用戶自定義斜極，這對新能源電動汽車電機中的V型斜極等提供了方便，早前版本如用戶需要仿真V型分段斜極需要對多個不同算例進行結果后處理得到。
展開 
求解技巧 | 永磁電機的電磁仿真常見問題
在變速驅動中，當轉矩脈動頻率與定子或轉子的機械共振頻率一致時，齒槽轉矩產生的振動和噪聲將被放大。齒槽轉矩的存在同樣影響了電機在速度控制系統中的低速性能和位置控制系統中的高精度定位。所以做永磁電機研發的工程師希望把自己做的電機的齒槽轉矩降到最小，使用永磁電機的工程師則希望了解手上這臺電機的齒槽轉矩，從而去優化他的控制算法。
有限元法計算齒槽轉矩時，氣隙的網格質量對齒槽轉矩的計算影響很大，為了得到較為準確的齒槽轉矩數值，可以對氣隙做多層剖分，如下圖所示，該電機為8極48槽，轉子是V&“一”槽形。為了節省計算時間，加快求解速度，以一個極進行計算。在計算齒槽轉矩時，可以在氣隙部分添加為3層，分別命名為為band_inner,band,band_outer。
圖1
同時設置band的旋轉速度為1deg_sec，由于計算一個齒距下的齒槽轉矩的變化，故設置的求解時間為7.5s。具體如下：
圖2
計算完成后電機不斜極的齒槽轉矩如下圖3所示：在一個齒距的范圍內為為一個周期變化。實際設計中，電機的轉子是斜極兩段，斜極的度數為3.75。實際上整體的電機齒槽轉矩如圖4所示。從圖3和圖4可以看采取斜極的措施后，電機的齒槽轉矩也確實降低了，有利于電機運行的平穩。
圖3
圖4
磁鋼的渦流損耗
永磁電機的轉子里嵌著磁鋼，由于穿過磁鋼的磁鏈在轉子轉動過程中發生變化，自然會在磁鋼內部產生渦流，進而產生渦流損耗，為了減小磁鋼的渦流損耗，通常在軸向和徑向方向將磁鋼進行分段處理。為了精確計算分段后的磁鋼損耗，Maxwell提供了兩種不同的計算方法來求解渦流損耗。
展開 新功能 | Ansys Maxwell 2021 R2 新版功能要點
NVH中的DFT窗口函數可選，覆蓋更多的實際應用情況；支持任意斜極模型中基于單元的諧波力計算；支持溫度相關的多條退磁曲線；為增強型磁致伸縮力模型增加各向異性彈性屬性。
2021 R2版本支持轉子分段斜極(一字、V字和用戶自定義斜極) 的電磁力映射，Maxwell2D skew功能可處理多個slice上的電磁力并自動映射到諧響應, 大幅加快了永磁電機轉子分段斜極的NVH分析。軟件支持集中力和分布力的加載方式。
一字斜極
多個slice上的電磁力并自動映射到諧響應
ERP求解結果
09
新3D AC Conduction求解 (Beta)
2021 R2版本新3D AC Conduction求解功能支持非線性材料、各向異性材料、熱耦合功能。該功能主要應用在如PCB板、電路參數抽取、有損材料高壓應用及醫療應用比如電阻抗斷層成像等場合。
展開 蔡蔚：下一代電驅動系統全產業鏈的關鍵技術
斜極應該采用軸向V型斜極布置，我是世界上第一個采用這種斜極拓撲的。因當年做的V-型轉子斜極時候并沒有報專利，所以今天全世界都可以免費用V-型斜極的方法消除電機負載變化而引起的軸向電磁力交變和沖擊。
“發卡式”（Hairpin）繞組，特別是扁線發卡式繞組是我本世界初發明的，20年后的今天，發卡扁線繞組仍然是引領高效汽車驅動電機的先進技術。沿槽高方向布置的扁線導體層數增多有利于減低渦流擠膚效應，但卻使制造工藝變得復雜。換位扁線是值得探索的高頻電機繞組新技術。
至于I-PIN型繞組，我認為焊點太多，制造問題明顯，主要是焊點太多，端部較長。這是當年大陸公司首先提出的，并以此與雷米合資提供通用汽車的42V混合動力皮卡電機。
S型繞組，是用連續波繞的繞組方式。我常將其工藝流程比做先做“鳥籠子”，后將其沿徑向壓縮從電機定子內圓漲入定子槽。隨著電機變大徑向壓縮變得越來越難，甚至不可能。該技術是在本世紀初美國雷米公司從福特的偉世通（Visteon）公司初買的，當時只用在汽車發電機上。
這頁PPT聚焦怎樣做好扁線繞組的扁線導體？
產品制造應該注意什么？
圖示耐電暈扁線正常與失效試驗結果。高頻繞組要進行局部放電試驗， 不幸的是許多電機供應商并無試驗設備，電機繞組也就沒做PDIV和PDEV試驗就出廠了。這個視頻展示了換位扁線繞組的制造過程，視頻是我在金杯電工產線上錄制的。
值得強調，絕緣老化不全是熱老化所致，也可能源于局部電老化，怎么樣區分電老化和熱老化？燒了電機原因要搞清楚。無局部放電(無PD)是熱老化，有局部放電(有PD)應屬電老化。
實在抱歉，時間所限，今天就講到這里。
展開 新功能 | Ansys Maxwell 2021 R2 新版功能要點
NVH中的DFT窗口函數可選，覆蓋更多的實際應用情況；支持任意斜極模型中基于單元的諧波力計算；支持溫度相關的多條退磁曲線；為增強型磁致伸縮力模型增加各向異性彈性屬性。
2021 R2版本支持轉子分段斜極(一字、V字和用戶自定義斜極) 的電磁力映射，Maxwell2D skew功能可處理多個slice上的電磁力并自動映射到諧響應, 大幅加快了永磁電機轉子分段斜極的NVH分析。軟件支持集中力和分布力的加載方式。
一字斜極
多個slice上的電磁力并自動映射到諧響應
ERP求解結果
09
新3D AC Conduction求解 (Beta)
2021 R2版本新3D AC Conduction求解功能支持非線性材料、各向異性材料、熱耦合功能。該功能主要應用在如PCB板、電路參數抽取、有損材料高壓應用及醫療應用比如電阻抗斷層成像等場合。
展開 