新能源汽车永磁同步电机振动噪声问题研究综述

秦 臻 黄月芹 林伟健 尹 帅

（柳州工学院机械工程学院,广西 柳州 545000）

为降低二氧化碳的排放量，汽车技术加速朝着电动化、轻量化和智能化方向发展。在政策和市场双重利好的情况下，过去几年我国新能源汽车市场异常火爆，呈现井喷的状态，每年销量增速超过100%，明显领先于美国和欧洲等地区。随着新能源汽车进一步走入人们的生活，人们对新能源汽车的要求也在不断提高，其中对整车的振动噪声性能要求更为苛刻。由于新能源汽车没有发动机的噪声，驱动电机的噪声会显得更加明显。因此，降低新能源汽车驱动电机的振动与噪声在整车NVH（noise、Bibration、harshness）研究中显得尤为重要。永磁同步电机具有结构简单、功率因数高、启动转矩恒定、调速范围宽等特点，已逐渐成为电动汽车驱动电机的首选。但随着汽车的轻量化设计，又使得电机的结构刚度变差，径向电磁力波幅值增大，导致电机的振动和噪声明显[1]。

1 永磁同步电机噪声分类

永磁同步电机的噪声产生机理复杂，与多个物理场相关，且涉及的学科广泛，包括电磁学、机械振动、声学等众多学科。根据电机噪声的产生方式，可以将其分为3种：电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声[2-3]。

1.1 电磁噪声

目前普遍认为，电磁振动是导致电机电磁噪声的主要原因，而电磁振动是以电磁力波为能量源，由电机的定子和转子共振而产生。因此，以电磁力波为分析对象，降低电磁力波的激振影响是降低电机噪声的重要解决途径[4]。

1.2 机械噪声

电机本身的制造装配工艺误差产生的转子不平衡，电机在使用一段时间后导致的轴承磨损，以及本体固有频率匹配不合理导致的共振现象，均是电机机械噪声产生的原因。转轴中心线与转子质量中心线不重合，会引起转轴旋转频率及倍数频率的旋转噪声，并伴随有一阶振动出现[5]。

1.3 空气动力噪声

空气动力噪声主要是由电机高速旋转时机座内腔气体压力的急剧变化和气流与流经通道的摩擦所产生，通常随气流传播[6]。大部分车用永磁同步电机采用水冷，无风扇，故可以认为空气动力噪声的贡献可以忽略。

当前研究表明，从产生机理、处理难度、噪声占比等方面来说，电磁噪声的处理起着至关重要的作用。

2 电机电磁噪声研究现状

多年来，国内外许多学者以电磁噪声的产生机理为切入点，比较深入地研究了引起电机电磁振动噪声的各种因素，包括电磁力波的特性、定子的模态特性，以及由电磁力引起的声辐射特性。韩国学者Hong-Seok Ko（2004）认为电磁振动源有3类：齿槽转矩、转矩脉动和径向力波，其中贡献最大的是径向力波[7]。美国的Rakib Islam等（2010）研究并分析了永磁同步电机的噪声和振动，并认为根源是径向力引起的电磁振动而不是切向力引起的转矩脉动[8]。对于电磁噪声的研究，首先要准确地描述电机电磁力波的特性。目前，电磁力的常用分析计算方法主要分为解析计算法和有限元法。

解析计算法所得结果为解析表达式，能深入地分析电机的内在规律，但建模过程复杂。1985年，S.J.Yang提出了计算电磁力波的磁势乘磁导法[9]。2013年，我国的陈永校教授也对电磁力的解析计算进行了深入的研究，推导了永磁同步电机的电磁力波与气隙磁场的表达式。经过一系列的研究，磁势乘磁导法最终被学者们广泛采用，该计算方法简单省时，但对实际的气隙磁密分布仅给出了一个近似值，并且含有相近次数的磁导和磁动势谐波，但其分析精度较低，不能很好地分析电机饱和、开槽和转子运动对电磁力波的影响[10]。

随着计算机信息技术的迅速发展，越来越多的研究人员开始采用有限元法对电机的振动噪声进行研究。2012年，申秀敏等建立了电机定子结构的有限元仿真模型，并进行了有限元模态仿真计算，得到了定子结构的模态频率和振型，发现电机定子结构的前六阶模态频率较低，电机空载工况在调速过程中所激发的电磁力容易引起电机定子结构的共振[11]；2017年，同济大学的林福等人建立了考虑电流谐波的模型，相比于有限元软件的直接计算，该模型在计算速度与精度上得到了较大的提升[12]。2018年，同济大学的牛治东等通过研究电动汽车的混沌动力学特性，建立了小波神经网络预测模型对混沌时间序列进行预测，利用Wolf方法计算得到最大李雅普诺夫指数，发现振动加速度信号存在混沌运动[13]。目前，我国采用有限元法分析电磁力波的还不多见，尚处于起步阶段。

3 电机结构模态研究现状

模态参数可以由计算或实验分析获得，获取参数的分析过程即模态分析。模态分析是近代研究结构动力特性的常用方法，是系统辨别法在振动和噪声领域中的应用[14]。目前，驱动电机模态分析的常用研究方法有数值模态分析和实验模态分析。分析方法具有简单、计算量小、精度低等优点。随着电机结构复杂性的增加，其计算精度已不能满足工程要求。随着计算机信息技术的发展，越来越多的学者采用有限元方法对电机进行模态分析计算。采用试验与理论相结合的模态分析方法，对电机结构的模态参数进行识别、分析和评价，找出电机结构动力性能存在的问题，根据电机结构固有频率的模态分析结果，对电机的电磁噪声进行预测和控制[15-16]。1986年，合肥工业大学的黄礼文用模态分析法对电机定子铁芯的振动进行了分析，利用现代傅里叶系数及其专用的模态分析设备，准确地测出了定子铁芯的模态固有频率、模态阻尼系数和模态振型[17]。2003年，F.Ishibashi、K.Kamimoto等采用有限元方法计算了电机的模态[18]，并对结果进行了验证。2018年岳东鹏等对电机定子机壳的模态进行了仿真，在得到电机前五阶的模态振型及固有频率的基础上，运用声学仿真软件建立了电机的声学有限元网格，将电机的电磁力与电机模态网格进行耦合，求解电机的电磁振动与噪声，得到电机电磁噪声在不同频率下的声场声压分布[19]。2012年，同济大学的张范辉等学者在ANSYS有限元分析软件中建立了定子结构的参数化模型[20]，并基于此模型进行了优化设计，使振动噪声性能改善的同时还达到了轻量化设计的目的。

4 电机声辐射研究现状

早期，国内外学者主要通过分析方法来对电机噪声进行研究。然而，随着工程要求和研究水平的不断提高，分析结果越来越难以满足实际工程要求。同时，随着有限元方法的普及和计算机技术的不断进步，商业有限元分析软件逐渐被广大研究人员所采用。

1989年浙江大学的诸自强等认为，电机的声辐射模型相当于一个长圆筒，根据电机表面振动速度和表面附近空气的声压，计算电机的辐射声功率，具有公式简单、计算方便、省时等优点[21]。1992年，诸自强等将有限元法与傅立叶级数分析相结合，计算了电机辐射声功率，这种方法考虑了端盖对辐射功率的影响，在当时具有重要意义[22]。2019年，牛宁基于壳体理论简化电机定子结构为内部圆柱壳，建立了带肋圆柱自由振动模型，并验证了该模型的精确性。

5 总结与展望

本文对车用永磁同步电机噪声的分类，以及常用的降噪减振方法，即电磁噪声、结构模态以及电机表面声辐射三个方面的研究情况进行了分析与总结，发现将永磁同步电机的各物理场耦合后综合分析振动噪声的研究较少。后续的研究可以考虑将电磁、结构、声学结合，展开多物理场的耦合分析。本文为后续的新能源汽车永磁同步电机振动噪声研究提供了参考和借鉴。