基于ansoft的汽车起动机电磁噪声分析

张相坤，王天利，郜琪，杨 亮，张宏双，杜志多

（1.辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001；2.锦州汉拿电机有限公司，辽宁 锦州 121013）

基于ansoft的汽车起动机电磁噪声分析

张相坤1，王天利1，郜琪2，杨 亮2，张宏双1，杜志多2

（1.辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001；2.锦州汉拿电机有限公司，辽宁 锦州 121013）

基于maxwell二维瞬态磁场理论，运用ansoft算出永磁直流起动机空载、减速过程中的齿槽转矩与气隙磁密，并作傅立叶分析，可以发现仿真出的结果与起动机噪声实验结果关系密切，并且齿槽转矩、气隙磁密幅值不随转速变化，并且电机旋转一周的齿槽转矩周期应为极数与转子槽数的乘积，所得出的结果即为电机噪声诊断提供了新的途径，也为确定与电磁噪声有关的主要参数及减小电机的电磁噪声提供理论依据。

汽车；起动机；电磁噪声；ansoft

CLC NO.:U464.337+.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-42-04

前言

起动机是将蓄电池提供的电能转换成机械能，通过起动机的齿轮与发动机飞轮齿环啮合，从而带动发动机工作，所以起动机的性能是衡量汽车性能的重要指标。起动机的噪声主要包括电磁噪声/机械噪声和空气噪声，其中电磁噪声逐渐成为起动机的主要噪声，而电磁噪声主要来源于起动机电机[1，2]。

起动机断电后的电磁噪声主要受电机电磁激振力及起动机机构响应的影响，而电磁激振力的来源

主要有三种：1）定转子谐波磁场相互作用产生的随时间和空间变化的径向电磁力，而径向电磁力受气隙磁密的影响。2）转子开槽和电流纹波导致的转矩脉动。3）转子相对于定子偏心产生的不平衡磁拉力。本文主要是从前两个方面考虑起动机的电磁噪声。电机电磁的计算方法虽然有许多，但存在计算精度低/过于理想化等问题[3]。

本文采用ansoft软件中的2D设计模块，对6极29槽的永磁减速直流起动机进行了结构设计，由于噪声实验测得的是断电后的噪声，所以主要仿真在转速不同的情况下的起动机永磁直流电机的磁密分布图、齿槽转矩曲线、气隙磁密曲线，并运用matlab对气隙磁密进行后处理，得到气隙磁密的频域图[4]。

1、基于ansoft的PMDC有限元分析

1.1 电机二维有限元模型的建立

表1 永磁直流起动机的主要技术参数及尺寸Tab.1 Main technical parameters and dimension of the PM starter

本文根据二位瞬态磁场理论，建立永磁直流电机的有限元瞬态模型，在模型的建立的过程中忽略对仿真结果影响不大的倒角及机壳上的通气孔，并不考虑断电后产生的感应电流对脉动转矩的影响，即认为断电后的永磁直流电机的齿槽转矩即为脉动转矩。仿真对象为锦州汉拿电机有限公司的QDY 1213型起动机其参数如表1。

图1为永磁直流起动机中电机的模型图，其永磁体与转子间的间隙并非均匀的，其气隙间距由磁极中央向两边缘逐渐增大，使气隙磁通密度在间断位置逐渐减小，从而能降低脉动磁力。

1.2 网格的划分

网格的剖分是有限元求解的基础，剖分的质量直接决定了有限元的计算精度。在ansoft中有三种剖分方法，根据仿真对象模型选用Inside Selection。Ansoft网格的一项突出的功能就是滑动气隙边界发来处理电机定转子之间的相对运动，即在气隙中设置一条运动气隙边界，将气隙由内到外分成两部分，并沿圆周方向均匀剖分气隙边界，边界层的节点具有双重编号，气隙边界以内为转动部分，以外为静止部分，并且边界设置的越多计算精度越大[5]。由于本次研究对象为6极29槽起动机，所以对网格划分的要求比较高，画三条边界线，并使其网格尺寸划分相对精细，如图2所示。

2、电机特性分析

2.1 ansoft仿真分析

由于在噪声实验室是空载运行，所以电机的仿真也是进行空载分析，在磁场分析中，每个被分析的问题至少存在一种激励源，永磁直流电机中有永磁体和绕组电流源两种激励。永磁体激励在材料设

置时已经完成，由于空载分析，所以绕组电流激励设置为0A。分别仿真转速在3000rpm、6000rpm、12000rpm、15000rpm时的工作状况。由于数据量太大，以下只列出转速在6000rpm时的磁力线与磁通密度云图等运行结果。根据磁通密度云图和磁力线分布图可以直观的了解永磁直流电机内部磁场的分布，以及电机二维磁场的饱和情况，对电机电磁力的求解和优化电机结构，减小电机振动具有重要意义。

图5所示为永磁直流电机空载时的齿槽转矩[6]。从图中可以发现转子转一周的齿槽转矩周期数为电机极数与转子槽数的乘积；图6为特定转速下的齿槽转矩的傅里叶变换图[7]，从傅里叶变换图中可以发现1200Hz、5400Hz、17400Hz的幅值比较大；根据阶次与转速、频率之间的关系，可以得到12阶、54阶、174阶的幅值比较大，其中174阶的幅值最大，而174为转子槽数与极数的乘积，所以可以认为齿槽转矩在旋转过程中产生的噪声频率为17400Hz，阶次为174阶。图7为对几种转速的傅里叶变换比较图，从图中可以发现齿槽转矩的阶次并不随转速的变化而有所改变。

图8为转速6000rpm时的空载气隙磁密曲线,

横坐标为弧长，纵坐标为气隙磁密，仿真对象为3对极电机，由于齿槽效应的存在，空载时的气隙磁密波形并非理想的梯形，这也是导致电机存在脉动转矩的原因；图9为通过matlab对几种转速下气隙磁密做的傅里叶分解，可以得到各转速下气隙磁密基波及谐波随转速的变化，从图中可知气隙磁密在电机工作过程中的主要阶次为29阶、58阶、87阶、116阶，其中29阶的幅值最大。

2.2 实验结果

图10为测得的数据为4刷29槽起动机整体的阶次谱图，横坐标为频率，纵坐标为阶次，颜色的明亮代表声压级的大小，从图中可以看出比较明的阶次为142.1阶及其整数倍，由于测得的数据为起动机整体的噪声，起动机的减速比为4.9，所以对于电机主要阶次为29阶及其整数倍，与起动机电机的齿槽转矩的阶次和气隙磁密的阶次一致。所以电机实验所得的的噪声与通过ansoft有限元分析得到的结果相一致，并且精度较高。

3、结论

本文探讨了汉拿电机公司的QDY1213永磁直流起动机的电磁噪声，采用时步有限元法对电机的空载减速过程进行了仿真研究，得出了电机的气隙磁密及齿槽转矩，并用matlab对其进行傅里叶变换，可以发现永磁直流电磁噪声的大小与电机的转子槽数密切相关；电磁噪声的阶次与齿槽转矩及气隙磁密的阶次相似。所ansoft的应用能够在保证计算精度的前提下，减少计算量，并使电磁噪声的计算流程化，对消弱电磁噪声具有极大的参考价值。

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The Analysis of Electromagnetic noise of automotive starter based on ansoft

Zhang Xiangkun1, Wang Tianli1, Gao Qi2, Yang Liang2, Zhang Hongshuang1, Du Zhiduo2

（1.Liaoning University of Technology，Liaoning Jinzhou 121001；
2.JinzhouHalla ElectricalCo., Ltd., Liaoning Jinzhou 121013）

Based on the maxwell’s theory of two-dimensional tansient magnetic field, the article uses the ansoft to calculate the cogging torque and air gap magnetic flux density of the PM starter in the process of idle and deceleration, then goes on the Fourier analysis. It is demonstrated that there are close relationships between simulation results and experimental results of starter noise.Otherwise，the cogging torque and air gap magnetic flux density is not change with speed，and a number of The cogging torque cycles is the product of mangent number and rotor slot number.Those solutions not only provide a new way to test the noise of motor,but also provide a theory for determining the main parameters related to electromagnetic noise and reducing electromagnetic noise of the motor.

Car; Starter; Noise; Ansoft

U464.337+.1

A

1671-7988(2014)02-42-04

张相坤，工作单位：辽宁工业大学。