永磁同步电机电磁振动噪声抑制方法综述

张 欣,何家俊,吴 超

(天津工业大学,天津 300387)

0 引 言

随着电气设备在各行各业的应用，电机噪声问题越来越引起人们的关注，因此研究低噪声、高效率的节能电机是非常迫切和必要的。永磁同步电机的噪声一般由三部分组成:空气动力性噪声、机械性噪声和电磁噪声[1-2]。永磁同步电机在高速运行过程中，空气动力学和机械噪声占主导地位；在中低速度运行下，电机发出的振动噪声的主要来源是电磁噪声。电磁噪声的大小与定子绕组磁势空间谐波，电源中的时间谐波，转子动态偏心以及电动机的功率、极数和转速有关。在减少电机振动和机电噪声的排放方面，采用了各种技术来优化电机[3]。本文主要针对永磁同步电机的电磁噪声进行研究。

本文在介绍抑制电机噪声工作原理的基础上，对电机本体结构优化设计、磁致伸缩力等在电机降噪方面近年来的研究进行梳理和分析，通过如何有效地优化电机本体结构和减小磁致伸缩力对电机的影响，为进一步开展抑制永磁同步电机的振动噪声的相关研究工作，提供部分参考。

1 基于电机本体结构优化(降低激振力)

目前，永磁同步电机的振动大多是以气隙径向电磁力波、控制系统、定子模式和响应作为切入点来进行剖析和研究[4-6]。

1.1 降低电机径向力

永磁电机在运行过程中，由于低次数径向力会使定子铁心随时间变化而产生周期性的形变，因此电机会产生较大的电磁噪声。如何降低电机的径向力是有效抑制电机振动噪声的一个重要方法与研究方向。

对引起电机振动噪声的径向力进行研究，通过实验测得径向力波的阶次数越低，电机铁心的弯曲形变程度就越大，振动噪声越大；并且电机定转子极数越多，产生的噪声振动就越小。此外，实验中发现在同步电机运行期间，当所给激励频率与永磁同步电机的转子和定子固有频率出现重合时，就会产生比较大的振动噪声。因此，要有效抑制电机的振动噪声，可以采用降低激振力和改变固有频率两种方法[7]。

一般的优化模态只能使固有频率发生不大的偏移幅度，无法较好地的实现抑制电机噪声的目的，因此降低转子和定子之间相互径向作用力，优化电机本体结构就显得尤为重要。对此，文献[8-10]提出利用优化定子和转子尺寸，来防止电磁力频率和定子固有频率共振，减小定转子重叠区域的面积，进而可以比较有效地抑制电机电磁噪声。

与优化电机结构进而定性地改变电机径向力相比，文献[11]提出定量分析转子定子径向力，在此基础上，进一步有效地减小电机径向力。永磁同步电机定子和转子谐波相互作用产生力波振幅P:

(1)

比径向力P0:

(2)

定子铁心表面的振动速度v:

(3)

式中：Bv为定子谐波，Bu为转子谐波，f为谐波频率，zc为定子机械阻抗。

由式(1)～式(3)可知，在保持定子机械阻抗zc不变的情况下，降低P0，从而降低定子铁心表面的振动速度，这样就可以实现抑制电机振动噪声的目的[7]。

在优化电机定转子结构、减小径向力的基础上，减小电机转矩脉动可以进一步抑制电机的振动噪声。文献[12]提出了相应的电机结构优化方案，可以有效抑制一部分由电机转矩脉动和径向电磁力所引起的振动噪声，例如：建议减小电机轴承的支撑距离，用以增加支撑刚度；适度合理地调整电机定转子结构，可以尽可能地减小电磁力频率和定子固有频率共振，减小定转子重叠区域面积可以进一步地减小电机振动噪声[12]。除此之外，还可以在永磁同步电机转子之间填充一种绝缘的非导磁胶体，可以减少电机转子磁漏，在一定程度上使得转子受到的空气阻力减小，且能有效地减少转矩脉动[9]，进而实现降低电机噪声的目的。

1.2 减小电机谐波幅值

不同次的电机谐波相互作用及其与永磁同步电机定子侧谐波相互作用，也是永磁同步电机噪声产生的一个重要原因。改变定子齿极槽配比和定子线圈采用正弦绕组的方式可以较大程度上减少电机谐波，实现抑制振动噪声的目的。正弦绕组是利用适当的方法来调整同步电机绕组在电机铁心中的分布结构，加上改变电机的极槽配合，达到电机绕组基波系数最大，而其他各次谐波最小[14]。

针对不同类型的永磁同步电机可以采用不同的方法来减小电机谐波。对于低速大转矩永磁电机，多数可以采用改变定子齿极槽配比的方法。这种方法可以减少电机共振范围内主要0阶力波次数，减少共振点，以减小定子齿谐波幅值，从而实现减少电机振动噪声的目的[13]。对于高速永磁电动机，则主要采用不同定子线圈正弦绕组的方法来抑制电机的振动噪声。适当的正弦绕组方式可以改变电机的极槽配合，减少电机谐波对电机振动的影响，从而提高电机效率，抑制电机的振动噪声，减少电能消耗[14]。例如：单相电机可以采用不等匝数的正弦绕组，三相电机则可以按照不同的需求，设计不同的定子槽数、每极不同的正弦绕组来减少电机谐波，实现抑制电机振动噪声的目的[15]。

在电机实际使用过程中，不同的开关频率在电机电磁激励中也会引起谐波，开关频率越低，磁噪声幅值越低。文献[16] 提出的开关频率避免了PWM激励力和相应的定子模式之间的共振，从而在起动期间降低了电磁噪声。

因此，通过选择合适的电机极对数，调整齿和槽的几何形状，使用合适的电机绕组配置，较低的开关频率可以最大限度地减少同步电机中的电磁谐波，减少振动，达到抑制噪声的目的[17]。但是在降低开关频率的同时，电机控制的稳定性就会降低，电机的可靠性也会有所下降。

1.3 平衡转子

在电机运行期间，电机转子的不平衡也是使转子和电机产生振动噪声的一个重要原因。做好转子动平衡，减少电机与转子的振动，可以有效降低电机振动噪声。转子端面上装配一个平衡块，该平衡块可调节质量和质心来改变电机的转动惯量，从而减小电机振动幅度，实现减小电机噪声的目的[18]。

2 考虑磁致伸缩效应降噪

就永磁同步电机的电磁噪声而言，麦克斯韦力和磁致伸缩力是造成电机振动和产生噪声的主要因素。

2.1 磁致伸缩及其影响

麦克斯韦力主要存在于气隙中。磁致伸缩是指磁畴在外部磁场的影响下，磁化方向趋向于一致，朝一个方向转向，导致磁性材料会在某个方向上产生伸长或缩短的现象，也会使内部产生磁致伸缩应力[21]。磁致伸缩力会使磁化材料的尺寸发生变化[19]。在对永磁电机进行振动噪声分析的实验中，实验数据结果显示，考虑磁致伸缩效应的永磁电机振动噪声的分析值大致等于实际电机振动噪声值，比只考虑电磁力时更接近实测值[20-21]。利用广义磁弹性三维有限元模型来计算电磁振动，结果证明永磁同步电机电磁振动是由电磁力和磁致伸缩效应共同引起的[22-23]，并且磁致伸缩引起的电机振动与磁致伸缩应变成正比，振动加速度和噪声随着电机频率的增加而增加[24-25]。因此磁致伸缩力是造成振动和噪声的主要来源之一，在进行电机降噪时磁致伸缩力是不可忽略的。

同步电机定子铁心是由许多硅钢片叠压而成，磁致伸缩效应使定子铁心产生振动和形变，进而导致电机产生振动噪声[26-28]。

在交流电机中，电机叠片铁心考虑硅钢片的磁致伸缩效应，进行磁-机械分析，其振动方程可以表示:

(4)

式中:Mm为质量矩阵，Cm为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，u(t)为节点的位移[6]。

2.2 建立模型分析磁致伸缩力

目前,国内外学者对磁致伸缩力在电机中引起振动噪声的研究已取得一定的成果。对磁致伸缩的分析研究大多借助于数值计算方法，针对不同的研究对象可以采用磁-机械全耦合或单向耦合的方法进行分析[6,29-30]。

文献[31]提出了一种计算旋转电机在磁致伸缩和磁力学耦合作用下振动的方法，计算表明磁致伸缩对振动都有影响，而磁力耦合只有在大型定子中才会显著。文献[30]、文献[32-33]建立了磁机械系统耦合分析的一般模型，计算节点的磁致伸缩力，研究了磁致伸缩力对定子铁心引起的振动噪声。文献[19]提出考虑磁致伸缩各向异性，可以提高感应电动机的形变、振动和噪声预测的交流效率。各向异性磁致伸缩对负载条件下铁心的局部和全局形变和振动的影响也是另一个需要研究的课题。各种模型分析了磁致伸缩力的影响和特性，为通过减小磁致伸缩力来降低永磁电机电磁噪声提供了思路。

2.3 减小磁致伸缩力的降噪方法

在永磁同步电机中，怎样使麦克斯韦力和磁致伸缩力相互抵消，进而降低两者引起的电磁噪声是一个重要的研究方向。基于这个思想，文献[34]介绍了一种磁双晶的概念，用以控制电机定子齿的磁致伸缩，从而使电机的磁致伸缩力的作用和麦克斯韦力的影响相互抵消。这导致目标振动模式的净电磁激励为零，降低了电机的振动和由此产生的噪声。

磁致伸缩效应使定子磁轭尺寸在水平和垂直方向上发生周期性变化，引起定子铁心的形变，进而造成电机定子铁心振动，产生电磁噪声。文献[35]分析了定子铁心由于磁致伸缩力所产生的形变，提出通过优化电机定子结构，例如适度地增加定子轭厚[36]，来实现抑制由磁致伸缩效应所产生的永磁电机振动噪声，实验结果证明这种方法可以减小一部分的振动噪声。

随着材料学的高速发展，越来越多的软磁材料被发现，并且逐步应用在生活生产中。在不改变永磁电机固有形态的基础上，利用软磁材料的特性来抵消磁致伸缩效应引起的定子铁心振动和形变的方法，越来越受到关注。文献[37]提出了在电机定子上打孔，在孔中填补与硅钢片磁导率和电阻率性能基本一致的软磁复合材料，利用负磁致伸缩形变，抵消定子铁心正磁致伸缩形变，减小电机定子形变引起的振动，从而达到了降噪的目的。除此之外，文献[6]提出采用疏导的方法，在变压器搭迭间隙填充高磁导率软磁复合材料来抑制电磁噪声，这为永磁同步电机的电磁噪声抑制研究提供了很好的参考方向。但是二维磁致伸缩的分布并不一定与最大磁通量密度矢量的分布相同[28,38]，应用软磁材料之后，电机的磁致伸缩力分布也会有所变化，需要充分考虑这前后的磁场变化。

永磁电机工作在非线性电压条件下时，大量的谐波会导致由磁致伸缩效应引起的振动噪声值有所增加[39]。磁致伸缩效应引起的振动是显著的，并且产生的电机振动噪声的幅值与电机工作频率和转速有关[33,35,39-42]。在谐波磁场下，随着谐波比重的增加，硅钢片由磁致伸缩效应所引起的噪声随之增大，从而加大电机铁心产生的振动噪声[43]。因此，降低电机谐波比重，增加基波比重是降低电机噪声的一个有效方法。

永磁电机在运行时，定子铁心会有损耗，文献[33]提出了一种铁心损耗计算方法，考虑到铁心损耗计算中的三维应力。应力曲线波动很大，应力峰值随谐波频率的增加而明显增加，径向应力和圆周应力在电机铁心的不同部位表现出不同的特性[36,43]。实验数值结果表明，因为收缩配合应力的存在，定子铁心的损耗显著增加，压缩应力下铁耗的劣化率随着磁致伸缩力的减小而降低[43]，通过降低磁致伸缩对应力的依赖性，减小径向速度的高次谐波。这种提高收缩配合应力的方法，虽然可以适量地减小振动噪声，但却增大了电机铁心损耗，因此在降低电机噪声的同时，如何减小铁心损耗是需要深入研究的。

3 降低空气动力性噪声

在减少空气动力噪声方面，传统的方法有：加装消音器，使用全封闭隔声罩、消声坑，采用加强筋式铝材外壳，铁心采用各种夹紧的处理，严格控制定转子装配工艺，提高风扇设计和风路设计的合理性等，但不适当的夹紧措施可能引起更大的噪声[2,4,6]。

文献[44]详细分析了电机运行过程中会产生噪声的各个零件，改进相关零件的设计，可达到降低电机噪声的目的。

4 总结与展望

随着对电机降噪需求的逐年增加，国内外学者对电机噪声的来源、分析及降噪方法都开展了深入研究。

本文从不同方向对永磁同步电机降噪方面的研究进行了系统全面的梳理，在分析电机噪声来源的基础上，着重从优化电机结构降低电机径向力，减小电机谐波和降低电机磁致伸缩力等方面，总结了电机降噪的研究现状；针对不同电机的结构特点，分析了如何合理优化电机的结构，研究通过减小磁致伸缩力来抑制电机噪声的方法。然而，关于电机降噪的实际应用方面尚存在一些问题，亟待开展深入的研究。

(1) 优化电机结构可以在一定程度上降低电机径向力和电机谐波，成功抑制部分电机振动噪声。但是，一般的优化电机结构很难完美地避开径向力的频率；在降低开关频率时也会使电机的稳定性和可靠性随之下降。因此，设计一种可以在最大程度上避开径向力的频率并且能够保证电机的稳定性和可靠性的电机优化结构，是一个很好的研究课题。

(2) 对磁致伸缩力的研究比较多，但是利用减小磁致伸缩力来抑制电机振动噪声的研究比较少。软磁复合材料的研究与应用比较少，如目前并没有合适的软磁复合材料可以填充在铁心打孔的位置，而且一些软磁复合材料很容易氧化，因此，若要比较理想地抑制由磁致伸缩力所引起的永磁同步电机振动噪声，还亟需相关材料学的研究与发展。