车用永磁同步电机振动噪声研究概述

刘鹏，杨季旺，杜宪峰

（辽宁工业大学，辽宁 锦州 121000）

关键字：永磁同步电机；减振降噪

引言

永磁同步电机具有发热小，功率效率高，噪声低等特点，极限转速和制动特性也比较优良，是以被作为优选广泛应用于泵，风扇和电动车等。然而电机在工作过程中，往往会伴随着振动产生噪声。评价一款电机性能和质量是否优秀，其振动噪声特性是所有评价标准中非常重要的一个，不正常的振动会加剧电机内部的摩擦，增加损耗，进而会影响电机的使用寿命，还会影响乘客的乘坐舒适性。

1 永磁同步电机振动噪声产生机理研究

1.1 永磁同步电机振动噪声产生机理

电动车PMSM 的噪声主要包含三大部分：空气动力噪声，主要由电机冷却系统例如风扇工作时产生的气体流动造成的；机械振动噪声，主要是由各部件之间的的摩擦及在转子工作时由于其不平衡特性造成的振动产生；电磁噪声，主要噪声源。如今的电动汽车电机在其性能方面的要求越来越高，例如大转矩，高负载等，这些都可能会导致电机振动噪声的加剧。

永磁同步电机电枢在正弦波供电条件下，定子电枢电流产生的磁场谐波与转子永磁体产生的磁场谐波相互耦合，形成气隙磁场，气隙磁场又与定子铁芯相互作用，进而产生电磁力，该电磁力直接作用于定子齿内表面。而径向电磁力作用于定子铁芯，使其沿径向发生振动形变，并通过空气向外发射噪声，这是电机产生电磁噪声的主要原因。当径向电磁力密度频谱所得频率与电机（及其零部件）的固有频率相同或相近时，电机就会发生共振，产生剧烈的振动和噪声，对电机造成很大的破坏，可能还会波及到外界，造成到人身财产损失。

1.2 永磁同步电机电磁噪声分析

因为电动车使用的轴承为具有高阻尼低噪声的滑动轴承，并且它对传动部件有着很高的动平衡要求，是以它的机械振动造成的噪声很轻微，空气动力噪声也可以忽略不计，则电磁噪声成为它的主要的噪声源。

早在20 世纪70 年代，前苏联学者舒波夫从定转子磁场特性方面分析了异步电机、直流电机、同步电机的磁噪声问题，并详细阐述空气振动噪声，转子振动、滚动轴承振动以及电刷装置引起的噪声，提出并分析了电机隔振措施和噪声的测试方法[1]。Taegen.F.等人通过对永磁同步电机电磁力和固有频率的分析，选取两种不同相数的电机利用解析计算和实验分析相结合的方法研究，得出可以通过增加电机绕组相数，减少电磁力，改善振动噪声性能。

于慎波学者计算了永磁同电动机转子一轴承系统临界转速，通过与有限元法计算出的电机转子动偏心时于转子上的径向磁拉力进行机械和电磁耦合计算，减小了不平衡磁拉力的计算带来的误差，通过对电机进行模态分析得到电机的模态频率，并将电磁力加载到电机的模型上分析电机的响应，并根据结果改善电机的参数从而使电机的模态频率远离电机电磁力频率避免发生共振[2]。唐任远教授推导出气隙磁场谐波频率的表达式，计算出了定子表面的电磁力波的大小，从而得到了气隙磁场谐波频率与振动噪声频率之间的关系。

2 永磁同步电机振动噪声研究方法

电机的振动噪声是一个多物理场问题，国内外对电机电磁噪声的研究方法有很多，但是使用较多的有解析法、有限元法、实验法。现在越来越多的学者运用多种分析方式耦合的方法对PMSM 的振动噪声进行研究，有效的缩短了研究时间，提高了研究精度。

国外学者S. Huang用解析法对低噪声永磁同步电机设计中的电磁振动和噪声进行了分析，提出了降低噪声功率级的方法，并对径向和轴向磁通表面安装的电机结构进行了电磁振动噪声评估。Islam R 利用有限元仿真和实验对在不同极槽配合下的电机振动特性进行对比，提出造成噪声和振动的主要原因是电磁力，利用结构有限元分析（FEA）和实验数据进行了验证。韩国的S.Park 等人对内置式永磁同步电机进行数值分析，运用麦克斯韦应力张量法计算电机的径向电磁力，并对求得的力进行FFT 分析，然后通过模态分析计算电机的固有频率，最后通过间接边界元法计算电机的噪声[3]。

崔淑梅教授利用ANSYS 软件对永磁直流电机建立结构动力模型,计算得到振动频响特性并以此作为输入边界激励条件输入声学分析软件SYSNOISE 中,计算出声压频响特性，用二者联合仿真的方法对电机振动噪声进行分析[4]。王忠建学者建建立了开关磁阻电机的二维以及三维有限元模型，并与模态试验相结合，研究得出底座会对电机的结构模态产生一定的影响。彭俊等人根据PMSM 的周期对称性，利用有限元软件对其电磁场进行分析，通过参数化编程，只建立一个转子磁极和对应定子区域的有限元模型，采用磁路场和电路场耦合计算，用时步有限元可以快速的计算出电机的磁场分析[5]。

3 永磁同步电机减振降噪措施

电机振动噪声主要由于定子结构以及槽配合方式决定，优化定子结构有助于减少振动噪声对电机造成的影响，定子齿槽形状、外径、铁芯类型、槽之间的配合方式等，均会对其转矩波动具有较大影响，进一步可能引起电机噪声。

至今，国内外学者在提高永磁同步电机振动噪声性能，对其进行减振降噪方面做出了诸多研究。大多从电机机械结构调整例如改变永磁体的类型、调整槽之间的配合方式以及采用斜槽斜极等方面出发，对电机进行减振降噪处理，优化其振动噪声性能。英国学者Mitcham 与Antonopoulos 发现特定的极数与槽数配合能有效抑制低次数的电枢磁动势谐波的幅值，并降低定子振动的幅度。Seung-HoonLee 学者提出可以在转子转子上设置凹口，从而可以最大限度地减少齿槽转矩和电磁力的影响，进而减少内装式永磁电机振动。中国学者郎德文提出可以通过在机座和铁芯之间加装弹性连接、改变定子材质以提高刚度和采用定子一体化结构增加阻尼等措施来减少电机的振动噪声。李岩教授分析了分数槽永磁同步电机在定子齿削角时永磁体产生的气隙磁通密度分布表达式,在此基础上计算了在不同齿削角度情况下的各次谐波幅值,发现在定子上应用齿削角可有效降低的振动噪声[6]。

4 结语

节约能源和环境保护日益受到重视的今天，电动车已会成为当今社会的主流，而一款汽车的好坏，与其内部电机的选择有莫大的关系，而永磁同步电机由于它的高输出转矩和低噪声等优点受到各大电机厂的喜爱。但是电磁噪声是影响PMSM 振动噪声性能的一个主要因素，因此国内外学者通过各种不同的技术手段和研究方法，对电磁力所造成的影响进入了深入的研究，并在这些研究的基础上，提供许多可参考的电机减振降噪的优化设计方案，为PMSM 的发展做出了不可磨灭的贡献。