电动机具有非常理想的扭矩速度曲线,因为它不仅能在 0 速度时产生最大扭矩,还能在很宽的速度范围内产生最大扭矩。虽然这种能力为电动马达创造了新的机遇,但与内燃机相比,它也带来了一些新的挑战。其中一个挑战是扭矩纹波,它对控制、功率输出、噪音、振动和耐用性等都有影响。扭矩纹波可描述为电机旋转时输出扭矩的变化。本白皮书将重点介绍这些信号的测量及其对噪声和振动的影响。本文还将列举几个案例研究,说明扭矩纹波的影响及其对 NVH 的影响。
扭矩通常被描述为直流电量,但它也有频率成分。具体来说,在电机中,扭矩会有一个直流平均值,并有一个周期性偏移。该偏移的频率是转速的函数,振幅是直流值的百分比。图 1 是扭矩纹波的一个示例,其中平均扭矩为直流,但高带宽扭矩显示出大约 +-2Nm 的纹波。虽然这看起来不是什么大问题,但这种波纹的高频率会导致各种不良后果,包括噪音、结构振动和齿轮疲劳。为了减小扭矩纹波,我们需要了解其来源,包括电励磁、机器结构、机械共振、校准和负载。
机器的电励磁会产生扭矩纹波,因为机器的扭矩会随电流变化。最极端的例子是单相电机,基频为 2 倍时会产生周期性扭矩,而零扭矩元件则为基频的 2 倍。通过增加相位,可以消除零交叉和纹波振幅,但会增加频率。典型的机器有三个相位,这对扭矩纹波是有利的,但并不能消除扭矩纹波。
由于扭矩是由正弦励磁产生的,因此励磁产生的扭矩纹波与电信号的频率相同,这意味着随着速度的增加,扭矩纹波的频率也会增加。此外,由于励磁并非完美的正弦波,还会出现其他的扭矩纹波。逆变器通常以高频率运行,机器绕组会影响电流分布。因此,这些问题会产生额外的扭矩波纹。
施工是影响扭矩波纹的另一个因素。在所有机器中,转矩纹波都是由机器绕组功能驱动的,每种机器类型都有转子磁场与定子铁相互作用产生的转矩纹波。在感应电机中,扭矩纹波的振幅较小,可通过转子杆的偏斜来控制。随着永磁机器使用率的提高,除了绕组功能和偏斜之外,还需要考虑磁铁对转子的影响。转子上的磁铁会吸引定子上的铁,当机器旋转时,磁铁会吸引定子的每个齿。由于转子磁铁和定子槽的数量是固定的,因此扭矩纹波也将与速度成正比。高振幅以及机器速度可能导致的高频率,使得永磁体产生的扭矩纹波成为一个难以表征和降低的问题。
鉴于励磁和机器结构会产生扭矩纹波,您也可以将这两种特性结合起来使用,以减轻扭矩纹波。不同的结构模式与不同类型的机器控制相结合,可用于减少扭矩纹波。反馈和逆变器技术的进步使我们能够在扭矩纹波缓解方面取得突破。为了验证这些扭矩纹波缓解方法是否有效,工程师需要通过测量来验证他们的设计。
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