降低无刷直流电机电磁噪声的方法

柳 文，赵乾麟

（浙江乾麟缝制设备有限公司，浙江 丽水 323000）

0 引言

随着无刷直流电机技术的广泛推广和应用，人们越来越关注电机的运行性能和应用舒适度，对电机的噪声提出了较为严格的要求，希望尽可能降低电机噪声，提供更加优质的动力源。无刷电机的噪声来源分为两大类，一类是机械噪声，一类是电磁噪声。降低机械噪声的主要方法是提高加工精度，减小端盖和轴的形位公差，改善轴承的配合间隙等等，这方面机械行业已经积累了丰富的经验，不是本文的叙述重点。电磁噪声的来源又可分为两种，一是齿槽转矩带来的噪声，一是换相过程中电流波动带来的噪声[1]。本文针对经济型集中绕组无刷电机，提出了这两种噪声的解决方法。

1 改变极槽配合数降低齿槽转矩

齿槽转矩是永磁电机的特有现象，也是噪声的重要来源。从能量观点看，齿槽转矩是电机不通电时的磁能W 相对于转子位置θ 的变化率。忽略铁心磁阻，齿槽转矩表达式为[1]：

式中：α—定子圆周坐标；θ—定转子间的相对位置角；dG（α）—气隙磁导微元；F（α,θ）—等效磁动势。将式（1）按傅里叶展开，经推导简化，得到齿槽转矩各次谐波的表达式为[2]：

式中，μ、v—谐波次数；Gμa、Gμb分别为气隙磁导μ 次谐波的余弦和正弦项；Fva、Fvb分别为F 项v 次谐波的余弦和正弦项。式（2）可简化为：

设气隙磁导的周期为γG，[F（α,θ）]2项的周期为γF，则谐波次数分别为：

根据产生齿槽转矩的条件u=v 可得：

设极对数为p，定子槽数为Z，则有：

经上面的变换可知，理想条件下齿槽转矩的谐波次数是转子极数2p 和定子槽数Z 的公倍数，其最小公倍数就是齿槽转矩的基波次数。由于基波次数越高齿槽转矩越小，如果改变极槽数目，提高其最小公倍数，就会明显降低齿槽转矩。

比如，4 极6 槽集中绕组无刷直流电机的齿槽转矩的基波次数为12，倘若改成8 极9 槽，则基波次数增加到72，齿槽转矩会明显降低。下面用有限元法进行验证。

在电磁场有限元分析软件中建模，得到6/4 结构和9/8 结构无刷电机的磁力线分布如图1 和图2 所示。

图1 6/4 结构无刷电机的磁力线分布Fig.1 Magnetic line distribution of the 6/4 constructed brushless DC motor

图2 9/8 结构无刷电机的磁力线分布Fig.2 Magnetic line distribution of the 9/8 constructed brushless DC motor

这两种电机的转子外径和定子槽内径相同，所用的磁钢材料和厚度也相同。经过有限元分析，得到它们的齿槽转矩如图3（a）、（b）所示。

由图3 可见，6/4 结构电机的齿槽转矩峰值约为100毫牛米，而9/8 结构的齿槽转矩峰值约为4 毫牛米，后者比前者降低了96%左右。所以若把6 槽4 极电机改为9 槽8 极结构，齿槽转矩会大幅度降低，噪声也就会随之降低。

图3 6/4 结构和9/8 结构无刷电机的齿槽转矩Fig.3 The cogging torque of the 6/4 and 9/8 constructed brushless DC motors

2 改变极弧系数降低齿槽转矩

对于小型电机来说，体积小，对生产成本要求很严，倘若分成过多的极数和槽数往往给生产带来不利影响，所以很多经济型的小型电机多采用6/4 结构，不便采用9/8 结构。在这种前提下要降低齿槽转矩，还可通过加大极弧角的方法达到目的。理论上讲，如果极弧系数为1，也就是极弧充满整个定子槽，这时的齿槽转矩会降到零，但是这样的电机无法嵌线。这个问题可以通过嵌线之后在相邻两个定子极之间增加导磁的软磁性槽楔来解决，这样能够大幅度降低齿槽转矩。

还以上面的6/4 结构电机为例，增加了软磁性槽楔之后的磁力线分布如图4 所示。

经有限元分析，有槽楔情况下的齿槽转矩如图5 所示。

图4 增加了软磁性槽楔的6/4 结构无刷电机磁力线分布Fig.4 Magnetic line distribution of the 6/4 constructed brushless DC motor which added slot wedges

图5 中齿槽转矩的峰值为10 毫牛米，而图3（a）未加槽楔之前齿槽转矩峰值为100 毫牛米，相比之下齿槽转矩降低了大约90%，效果是很明显的。

图5 增加了软磁性槽楔的6/4 结构无刷电机齿槽转矩Fig.5 The cogging torque of the 6/4 constructed brushless DC motor which added slot wedges

这种方法带来的弊端是，槽楔会导致极间漏磁增加，从而削弱了链过绕组的磁场强度。有限元分析表明，增加槽楔会使得极柱中的磁通密度略微减小，从2.4T 左右降到2.2T 左右，降低了大约8%，降低得并不多。这可以通过适当增加绕组匝数恢复到原有的磁链。

3 试验测量结果

笔者设计了按摩椅用的24V、60W 小型无刷电机，对其进行了试验测量。电机采用6 槽4 极结构，在转速为1500 转的时候，测得电机噪声为70 分贝左右，这样高的噪声无法在按摩椅上使用。增加了软磁性槽楔之后，在相同控制器和转速条件下，噪声降到了45 分贝左右，得到大幅度减小，使之满足了按摩椅等对动力源噪声要求比较严格的场合。

4 结论

本文提出了通过改变极槽配合数和增加软磁性槽楔来减小齿槽转矩的方法，并通过有限元分析对这两种方法进行了验证，结果表明齿槽转矩可以被削弱90%以上。结合工程项目，对6 槽4 极结构的无刷电机进行了测试，结果表明增加软磁性槽楔之后，电机噪声从70分贝降到45 分贝左右，降低了大约25 分贝，取得了比较明显的降噪效果。

[1] Lu Yongping，Li Yong.Tooth-slot cogging torque and noise analysis of permanent magnet motors [C].The fifth International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS 2001)，Shenyang ，China，2001.

[2] 程树康，宫海龙，柴凤，等.永磁轮毂电机齿槽转矩研究[J].中国电机工程学报，2009，30.