电动车用永磁同步电机电磁振动及噪声分析

骆开军，周 旺，林曦鹏，张 华，汤宏涛，陈海生,2

(1.毕节高新技术产业开发区国家能源大规模物理储能技术研发中心，毕节 551700；2.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190)

0 引 言

电动车用驱动电机与其他工业用电机的应用环境不同，车用电机安装在运动的车体上，因道路路面山地起伏，电动车行使过程中经常产生颠簸，车用电机易受外界环境影响，电动车在运行中需确保其电机能抵抗外界影响，可靠性高。效率高、功率因数高、起动转矩大、运行可靠、损耗小等是永磁同步电机所具有的优点，因此永磁同步电机成为电动车动力源的首要选择。而电机振动噪声是影响电动车行驶舒适性的主要原因，因此电机振动噪声是亟待解决主要问题[1-3]。永磁同步电机噪声的主要来源是电磁噪声，其中径向电磁力波是导致电磁噪声产生的主要原因。

近年来，国内外研究学者对电机振动噪声产生机理进行了深入研究。浙江大学学者陈阳生与杨浩东对永磁直流电机进行了分析，得出径向力是由转子上的永磁体产生[4-5]。韩国学者Ko H S分析电磁振动源：齿槽转矩、转矩脉动和径向力波，得到结果，对振动产生影响最大的是径向力波[6]。于慎波教授等对永磁同步电机产生噪声的主要力波进行研究，改变永磁体结构以降低径向磁通密度功率谱值，目的是为了降低电机振动噪声[7]。Islam R, Husain I学者研究表明，电机振动噪声的根源是径向力而非转矩脉动[8]。

本文以8极36槽永磁同步电机作为研究对象，研究永磁同步电机的电磁振动噪声，利用有限元软件研究电机在额定转速下的电磁场特性与电机在径向电磁力作用下的振动噪声。通过实验数据与有限元仿真结果比较，验证数值模型的准确性，并为降低永磁同步电机噪声奠定基础。

1 电机径向磁通密度理论

1.1 径向电磁力解析法分析

根据Maxwell定律可知，径向电磁力可表示[9-11]：

(1)

式中：Fn(t,θ)表示径向电磁力密度，单位：N/m2；b(t,θ)表示气隙磁通密度，单位：T；μ0表示真空磁导率，μ0=4π×10-7H/m；θ表示电角度，单位：rad；t表示时间，单位：s。

1.2 有限元计算径向磁通密度

利用有限元软件建立分析永磁同步电机电磁场的二维有限元仿真模型，如图1所示，电机主要结构参数如表1所示。采用时步有限元法对电动车用永磁同步电机进行负载特性仿真分析，计算出电机负载工况的径向磁通密度随转子位置变化趋势图，如图2所示，图3是径向磁通密度随时间变化趋势图。

图1 电机有限仿真模型

表1 电机结构极数参数

图2 径向磁通密度随转子位置变化趋势图

图3 径向磁通密度随时间变化趋势图

根据图2与图3可以看出，电机气隙磁密波形呈周期变化。在图2中，因受定子开槽的影响，气隙磁密在电机定子齿位置波动较大。

对计算得到的气隙磁密随时间变化的曲线进行傅里叶分析，可得到磁场谐波次数与谐波磁场幅值，如表2所示。

表2 磁通密度谐波次数及幅值

2 实验测试分析

为了证明本文数值模型的准确性，对电机在额定负载、额定工频条件下电机声压级频谱与振动加速度频谱进行研究。电机振动噪声实验测试具体布置过程：测试点与电机转轴的中心线在同一水平面，在电机的左侧距离电机1.0 m处设置噪声测试点，在电机定子壳顶端几何中心设置加速度传感器测试电机的振动位移。现场测试如图4所示，测试结果如图5与图6所示。

图4 实验测试样机图

图5 额定转速工况下声压级频谱图

图6 额定转速工况下振动加速度频谱

3 电机振动噪声有限元分析及电机实验值对比

对电机进行声场有限元模型建立时，为了与电机实验测试振动噪声实际情况相吻合，在利用有限元软件建立电机有限元模型时，计算电机噪声辐射声场的圆心是电机底面的几何中心，建立半径为1.0 m的半球体，把辐射声场离散成有限元网格，网格类型定义为四面体单元，材料属性定义为空气。为了精确计算电机振动噪声，以电机底部几何圆心为0.5 m建立半球体，将半径为1.0 m的半球体分为两个部分，将电机本体外半径为0.5 m半球体网格细化，电机噪声测试点分布示意图如图7所示，噪声有限元分析模型如图8所示。

图7 电机噪声测试测点分布示意图

图8 噪声有限元分析网格模型

将计算出的径向磁通密度代入式(1)，可得电机径向电磁力密度，根据电机定子内表面每个单元的大小计算出单元面积，利用电机径向电磁力密度与单元面积的乘积得出径向电磁力，将径向电磁力分别施加在定子齿表面的每个单元上，作为计算电机振动噪声的激振力，如图9所示。

图9 电机径向电磁力加载

图10为电机左侧声压变化趋势图，图11为电机定子壳顶端的一点的振动位移变化图。

图10 电机左侧声压变化趋势图

图11 电机定子壳顶端的一点的振动位移变化图

利用仿真分析出的声压值计算电机噪声，其公式：

(2)

式中：ps为测试点声压值；p0为参考声功率值，p0=2×10-5Pa。

根据式(2)计算出电机的噪声值，如表3所示。

表3 电机噪声值对比

表3中仿真计算出的噪声值比实验值偏小，主要是由于仿真分析时只考虑了电磁噪声，未将机械噪声、空气噪声以及背景噪声考虑进去，因此导致仿真噪声与实验所测噪声存在误差，但是误差小于5%。

将电磁场分析出的径向磁通密度进行频谱分析，其分析结果如图12所示。

图12 额定转速下径向磁通密度频谱分析图

根据图5、图6及图12的数据比较，分析出径向电磁力是电机振动噪声产生的主要原因，如表4所示，表中“-”表示对应振动噪声频率中没有该频率。

表4 径向磁通密度频率与实测振动及噪声频率

表4中声压级的64 Hz的峰值是2倍旋转频率fr引起的，然而测试电机噪声声压级设备的分辨率是32 Hz，导致有限元分析的计算值与实验测试值存在误差。

表4中可知，实测电机噪声频率224.0 Hz与928.0 Hz和电机径向电磁力频率226.6 Hz与935.0 Hz相近,引起电机共振，产生噪声。

从表4中实测电机振动频率3 568 Hz与6 000 Hz和径向电磁力频率3 570 Hz与6 063.6 Hz相近，引起电机产生共振，导致振动位移增大。

4 结 语

本文以8极36槽电动车用永磁同步电机为研究对象，利用电磁场软件计算出的径向电磁力并加载在电机定子内表面，计算出电机的振动噪声，实验测试电机振动噪声，与有限元仿真计算比较，仿真计算结果与实验测试结果基本吻合，验证了理论计算模型的准确性；同时，测试测得电机在额定转速工况下声压频谱图、加速度频谱图及径向磁通密度频谱图，比较3张频谱图，验证了电机径向电磁力是电机振动噪声产生的主要来源。