永磁同步电机轴向力分析与噪声抑制①

罗平亮， 韩 明， 张 戟， 张冠楠

(1.联合汽车电子有限公司电力驱动业务部，上海 201206;2.同济大学汽车学院，上海 201804)

作为新能源汽车中的核心零部件之一，驱动电机起到传统发动机的动力输出作用.而其噪声也成为整车噪声的重要源头.相对于内燃机，虽然电机产生的噪声总体水平更低，但电机噪声多集中在高频段，衰减慢，且更易引起人的不舒适感，因此驱动电机的噪声问题不容忽视.分析及改善驱动电机的噪声，对于新能源汽车整车降噪具有重要意义.

永磁同步电动机噪声主要包括电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声[1].对于新能源汽车驱动用永磁同步电机，自然散热或强迫风冷已难以满足其持续性能的需求.所以往往采取定子外表面冷却水道冷却或者定转子直接油冷，从而其空气动力噪声所占比例较小.

业内分析永磁同步电机噪声往往只关注径向力和切向力，对于轴向力分析较少.本文分析由常规定子斜槽或转子斜极带来轴向力，提出了减少轴向力的改进方案并验证其效果.

1 现有电机分析

作者所在单位现有80kW电机外观如图1所示.

电机噪声相关分析如下.

电磁噪声抑制方面

(1)选择合适的极槽配合

电机的激励力波即电磁力波，按方向可分为径向力波、切向力波和轴向力波.

现有80kW电机为三相永磁同步电机.定子槽数Z为36，转子极对数p为6.定子机壳内设计有冷却水道.逆变器输出交流电频率f1(对于变频调速电机，f1非定值;电机转速为n1=60f1/p，单位rpm)，每极每相槽数q=Z/(2p*3)=1，为整数槽绕组.

图1 现有80kW电机外观

主极磁场的谐波极对数如式(1)[1].

式中 r=0，1，2，3… ;

定子绕组谐波的极对数如式(2).

式中 k1=0，±1，±2，±3…;

径向电磁力波的频率如式(3).

得到径向力波n=ν±μ如表1.通常铁心振动时，动态变形的振幅大约与n4成反比，因此分析电磁噪声主要是分析力波次数较小(n≤4)的电磁力波[2].

表1 现有80kW电机径向力波表

由结果可以得出，该电机的径向力波最低阶次已达到12阶，对降低电磁振动与噪声有利.80kW电机产品的极槽配合设计合理，径向力波并不会引起过大振动.

(2)选择合适的绕组

该电机采用分布式绕组，星形连接，反电势波形正弦度好，扭矩纹波较小.

(3)斜槽或斜极

为减小齿槽转矩，80kW电机采用了定子斜槽方案，斜极角度为一个齿距.如图2所示.

图2 定子斜槽

机械噪声抑制方面，转子总成装配后会做动平衡，动平衡精度等级高于6.3级.轴承采用的是进口耐高温自密封轴承.装配上采取的是冷压，有专用工装确保只是轴承内圈受力.

空气动力噪声抑制方面，没有采用风扇，而是机壳内设置冷却水道.转子表面仅有一些隔磁槽.冲片及叠装都有严格的尺寸和工装来保证.所以总体上，表面比较光滑.

从以上分析可见，现有80kW电机已有一些噪声方面的考虑.对于该电机在整车上的噪声表现，最大噪声约95dB(A).如图3所示.而传统发动机噪声为100～110 dB(A).

传统NVH理论认为，在低速(0～60km/h)运行时，整车突出噪声为动力系统噪声，中速区(60km/h～100km/h)为胎噪(或称路噪)为主，高速区(＞100km/h)风噪为主，如图4.可见，到车速达到60km/h以上时，动力系统噪声已不再是整车最为突出的噪声，被胎噪和风噪“掩盖”.

图3 整车噪声测试结果

图4 不同车速下的整车NVH问题

此车型为纯电动车，客户关心区间:[30km/h，60km/h]，与以上理论一致.对应驱动电机转速区间[2560rpm，5110rpm]，虽然经过车身及内饰的隔离，在驾驶员侧噪声已得到衰减.客户还是希望电机本身噪声能进一步降低.以减少通过噪声，提升整车的噪声水平.

2 转子轴向受力分析

对于径向磁场永磁同步电机，人们关注的往往是径向力和切向力，对轴向力的研究相对较少.

定子斜槽或转子分段斜极是一种能有效削弱齿谐波、改善电机齿槽转矩和转矩脉动的方法.但这会产生附加的轴向力，从而引起轴向窜动[3].

图5所示直槽和斜槽定子中的通电导体受力情况，其中Ia为定子线圈中的电流，FT为通电线圈产生的电磁力，Fma为FT沿电机轴的轴向分力，Fmt为FT垂直于电机轴的径向分力，⊗表示永磁转子的磁场方向.在永磁体产生的转子磁场中，定子槽中的通电导体受到电磁力的作用，磁场、电流和电磁力三者的方向满足左手定则，导体所受的电磁力与导体垂直.对于直槽内的导体，其所受的电磁力F垂直于轴线，无轴向分量;而对于斜槽内的导体，所受的电磁力FT不垂直于轴线，在轴向有分量[4].

根据作用力与反作用力的原理，对于定子斜槽永磁电机，转子将承受额外的轴向力Fma.在电机结构中，转子通过轴承来支撑和定位，因此，此轴向力最终作用在轴承上[4].

国外低噪声、低振动的小型感应电机中，有应用如下所示双斜槽的方法，中间增加了一个薄的中间环，如图6所示.在永磁同步电机中，我们对分段转子采取了类似的措施，从理论及样品实测中，证实了方案的有效性，详见本文第3部分.

图5 通电导体产生的电磁力

图6 感应电机转子对称双斜槽

另外，对于永磁同步电机，定子铁芯往往成一整体.而为了磁钢加工及安装方便，转子铁芯往往分割为若干叠片组，造成累积公差增大.目前多用0.27mm～0.5mm硅钢片，使每个叠片组的公差定义在0.5左右，转子总成轴向长度累积公差可达2～5mm.如此就无法确保定转子磁中心重合，从而产生一定的轴向力，从而引起轴向窜动.

图7 普通转子斜极轴向力分析

3 消减轴向力的设计优化及效果

为降低电机齿槽转矩而采用的斜槽或斜极方案，会产生附加的轴向力，引起振动与噪声.通过电磁仿真软件分析，现有80kW电机采用普通单斜槽，大负载时产生的轴向力大于100N，如图7所示.

图8 普通斜槽、斜极与对称斜槽、斜极的对比

图9 转子对称分段错位

图10 普通单斜槽与对称双斜极的电机噪声对比

采用对称斜槽或斜极的电机可以在消除齿槽转矩的同时，而不产生附加轴向力.采用这种方案的定子或转子在轴向前半部分向一侧(扭转)倾斜角度θsk，在轴向后半部分再向相反方向倾斜角度θsk，如图8所示.两部分轴向距离相等.由于这两部分的斜槽或斜极采用了不同的倾斜方向，致使其产生的附加轴向力反相，从而于宏观上相互抵消.达到了既消除切向力波又消除轴向力波的目的，且不会对电机性能造成额外影响.

考虑到工艺性，可用对称分段错位的方法代替对称连续斜极，如图9所示.

1)若使用定子斜槽或转子斜极的方法，应使定子或转子的(扭转)倾斜角度θsk为:

式中，Nc为定子齿数Z与转子极数2p的最小公倍数.

2)若使用转子对称分段错位的方法，为了保证附加轴向力的完全抵消，转子的分段数Ns应尽量选择为偶数，为保证分段的意义，应使Ns≥4，如图9(a)所示.则此时的转子每段错位角度θsk为:

若使用转子对称分段错位的方法时，因实际应用条件Ns无法取偶数，如图5(b)所示，则应先令Ns′=Ns－ 1 获得偶数 Ns′，且Ns′≥4，此时的转子每段错位角度θss为:

值得注意的是，在这种应用情况下，由于转子未被平均划分为两段，致使齿槽转矩和附加轴向力不能够被完全消除.

对于现有80kW电机，转子的分段数Ns=9为奇数，先令Ns′=Ns－1=8，然后可计算转子每段错位角度θss为:

θss可取 2.5°，5°，7.5°，…，实际按 2.5 制作样品进行试验.

普通单斜槽及对称双斜极的电机噪声对比如图10所示.

可以看出，相对于普通单斜槽，对称双斜极样品的噪声水平几乎在全部转速区间都有明显下降，最大降幅达20dB(A).

4 结论

(1)从极槽配合、定子绕组等角度来看，现有80kW电机已有一些噪声方面的考虑.但对于纯电动车应用来说，在30km/h至60km/h区间，噪声依然较凸出.需要得到控制.

(2)为减小齿槽转矩及扭矩波动，现有80kW电机采用了定子斜槽的方法.传统的径向力和切向力分析表现不错.而轴向力方面的分析文献较少.通过理论分析及电磁仿真，确认了轴向力的大致范围.

(3)参考感应电机的措施，采用转子对称斜极的方式，可大幅削减轴向力，通过实际样品测试，达到了较好的噪声改善的效果.

[1]陈永校，诸自强，应善成.电机噪声的分析和控制[M].浙江:浙江大学出版社，1987:17－18.

[2]霍向飞，李刚，李霞.合适的槽配合降低变频调速电动机电磁噪音[J].电机技术.2012，2:5－8.

[3]Aleksandr S.Nagorny，Narajan V.Dravid，Ralph H.Jansen，etc.Design Aspects of a High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor/Generator for Flywheel Applications.NASA/TM－2005－ 213651，7.

[4]何思源，符敏利，杨金霞.定子斜槽对永磁电机轴承的影响[J].大功率变流技术.2012，2:59－62.