車用永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲研究概述

劉鵬，楊季旺，杜憲峰

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121000）

關(guān)鍵字：永磁同步電機(jī)；減振降噪

引言

永磁同步電機(jī)具有發(fā)熱小，功率效率高，噪聲低等特點(diǎn)，極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)特性也比較優(yōu)良，是以被作為優(yōu)選廣泛應(yīng)用于泵，風(fēng)扇和電動(dòng)車等。然而電機(jī)在工作過(guò)程中，往往會(huì)伴隨著振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。評(píng)價(jià)一款電機(jī)性能和質(zhì)量是否優(yōu)秀，其振動(dòng)噪聲特性是所有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中非常重要的一個(gè)，不正常的振動(dòng)會(huì)加劇電機(jī)內(nèi)部的摩擦，增加損耗，進(jìn)而會(huì)影響電機(jī)的使用壽命，還會(huì)影響乘客的乘坐舒適性。

1 永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理研究

1.1 永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

電動(dòng)車PMSM 的噪聲主要包含三大部分：空氣動(dòng)力噪聲，主要由電機(jī)冷卻系統(tǒng)例如風(fēng)扇工作時(shí)產(chǎn)生的氣體流動(dòng)造成的；機(jī)械振動(dòng)噪聲，主要是由各部件之間的的摩擦及在轉(zhuǎn)子工作時(shí)由于其不平衡特性造成的振動(dòng)產(chǎn)生；電磁噪聲，主要噪聲源。如今的電動(dòng)汽車電機(jī)在其性能方面的要求越來(lái)越高，例如大轉(zhuǎn)矩，高負(fù)載等，這些都可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)噪聲的加劇。

永磁同步電機(jī)電樞在正弦波供電條件下，定子電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)諧波與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)諧波相互耦合，形成氣隙磁場(chǎng)，氣隙磁場(chǎng)又與定子鐵芯相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生電磁力，該電磁力直接作用于定子齒內(nèi)表面。而徑向電磁力作用于定子鐵芯，使其沿徑向發(fā)生振動(dòng)形變，并通過(guò)空氣向外發(fā)射噪聲，這是電機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲的主要原因。當(dāng)徑向電磁力密度頻譜所得頻率與電機(jī)（及其零部件）的固有頻率相同或相近時(shí)，電機(jī)就會(huì)發(fā)生共振，產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和噪聲，對(duì)電機(jī)造成很大的破壞，可能還會(huì)波及到外界，造成到人身財(cái)產(chǎn)損失。

1.2 永磁同步電機(jī)電磁噪聲分析

因?yàn)殡妱?dòng)車使用的軸承為具有高阻尼低噪聲的滑動(dòng)軸承，并且它對(duì)傳動(dòng)部件有著很高的動(dòng)平衡要求，是以它的機(jī)械振動(dòng)造成的噪聲很輕微，空氣動(dòng)力噪聲也可以忽略不計(jì)，則電磁噪聲成為它的主要的噪聲源。

早在20 世紀(jì)70 年代，前蘇聯(lián)學(xué)者舒波夫從定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)特性方面分析了異步電機(jī)、直流電機(jī)、同步電機(jī)的磁噪聲問(wèn)題，并詳細(xì)闡述空氣振動(dòng)噪聲，轉(zhuǎn)子振動(dòng)、滾動(dòng)軸承振動(dòng)以及電刷裝置引起的噪聲，提出并分析了電機(jī)隔振措施和噪聲的測(cè)試方法[1]。Taegen.F.等人通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)電磁力和固有頻率的分析，選取兩種不同相數(shù)的電機(jī)利用解析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法研究，得出可以通過(guò)增加電機(jī)繞組相數(shù)，減少電磁力，改善振動(dòng)噪聲性能。

于慎波學(xué)者計(jì)算了永磁同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速，通過(guò)與有限元法計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心時(shí)于轉(zhuǎn)子上的徑向磁拉力進(jìn)行機(jī)械和電磁耦合計(jì)算，減小了不平衡磁拉力的計(jì)算帶來(lái)的誤差，通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析得到電機(jī)的模態(tài)頻率，并將電磁力加載到電機(jī)的模型上分析電機(jī)的響應(yīng)，并根據(jù)結(jié)果改善電機(jī)的參數(shù)從而使電機(jī)的模態(tài)頻率遠(yuǎn)離電機(jī)電磁力頻率避免發(fā)生共振[2]。唐任遠(yuǎn)教授推導(dǎo)出氣隙磁場(chǎng)諧波頻率的表達(dá)式，計(jì)算出了定子表面的電磁力波的大小，從而得到了氣隙磁場(chǎng)諧波頻率與振動(dòng)噪聲頻率之間的關(guān)系。

2 永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲研究方法

電機(jī)的振動(dòng)噪聲是一個(gè)多物理場(chǎng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外對(duì)電機(jī)電磁噪聲的研究方法有很多，但是使用較多的有解析法、有限元法、實(shí)驗(yàn)法?，F(xiàn)在越來(lái)越多的學(xué)者運(yùn)用多種分析方式耦合的方法對(duì)PMSM 的振動(dòng)噪聲進(jìn)行研究，有效的縮短了研究時(shí)間，提高了研究精度。

國(guó)外學(xué)者S. Huang用解析法對(duì)低噪聲永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中的電磁振動(dòng)和噪聲進(jìn)行了分析，提出了降低噪聲功率級(jí)的方法，并對(duì)徑向和軸向磁通表面安裝的電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電磁振動(dòng)噪聲評(píng)估。Islam R 利用有限元仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)在不同極槽配合下的電機(jī)振動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比，提出造成噪聲和振動(dòng)的主要原因是電磁力，利用結(jié)構(gòu)有限元分析（FEA）和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。韓國(guó)的S.Park 等人對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析，運(yùn)用麥克斯韋應(yīng)力張量法計(jì)算電機(jī)的徑向電磁力，并對(duì)求得的力進(jìn)行FFT 分析，然后通過(guò)模態(tài)分析計(jì)算電機(jī)的固有頻率，最后通過(guò)間接邊界元法計(jì)算電機(jī)的噪聲[3]。

崔淑梅教授利用ANSYS 軟件對(duì)永磁直流電機(jī)建立結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型,計(jì)算得到振動(dòng)頻響特性并以此作為輸入邊界激勵(lì)條件輸入聲學(xué)分析軟件SYSNOISE 中,計(jì)算出聲壓頻響特性，用二者聯(lián)合仿真的方法對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲進(jìn)行分析[4]。王忠建學(xué)者建建立了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的二維以及三維有限元模型，并與模態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合，研究得出底座會(huì)對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模態(tài)產(chǎn)生一定的影響。彭俊等人根據(jù)PMSM 的周期對(duì)稱性，利用有限元軟件對(duì)其電磁場(chǎng)進(jìn)行分析，通過(guò)參數(shù)化編程，只建立一個(gè)轉(zhuǎn)子磁極和對(duì)應(yīng)定子區(qū)域的有限元模型，采用磁路場(chǎng)和電路場(chǎng)耦合計(jì)算，用時(shí)步有限元可以快速的計(jì)算出電機(jī)的磁場(chǎng)分析[5]。

3 永磁同步電機(jī)減振降噪措施

電機(jī)振動(dòng)噪聲主要由于定子結(jié)構(gòu)以及槽配合方式?jīng)Q定，優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)有助于減少振動(dòng)噪聲對(duì)電機(jī)造成的影響，定子齒槽形狀、外徑、鐵芯類型、槽之間的配合方式等，均會(huì)對(duì)其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)具有較大影響，進(jìn)一步可能引起電機(jī)噪聲。

至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在提高永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲性能，對(duì)其進(jìn)行減振降噪方面做出了諸多研究。大多從電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整例如改變永磁體的類型、調(diào)整槽之間的配合方式以及采用斜槽斜極等方面出發(fā)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行減振降噪處理，優(yōu)化其振動(dòng)噪聲性能。英國(guó)學(xué)者M(jìn)itcham 與Antonopoulos 發(fā)現(xiàn)特定的極數(shù)與槽數(shù)配合能有效抑制低次數(shù)的電樞磁動(dòng)勢(shì)諧波的幅值，并降低定子振動(dòng)的幅度。Seung-HoonLee 學(xué)者提出可以在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子上設(shè)置凹口，從而可以最大限度地減少齒槽轉(zhuǎn)矩和電磁力的影響，進(jìn)而減少內(nèi)裝式永磁電機(jī)振動(dòng)。中國(guó)學(xué)者郎德文提出可以通過(guò)在機(jī)座和鐵芯之間加裝彈性連接、改變定子材質(zhì)以提高剛度和采用定子一體化結(jié)構(gòu)增加阻尼等措施來(lái)減少電機(jī)的振動(dòng)噪聲。李巖教授分析了分?jǐn)?shù)槽永磁同步電機(jī)在定子齒削角時(shí)永磁體產(chǎn)生的氣隙磁通密度分布表達(dá)式,在此基礎(chǔ)上計(jì)算了在不同齒削角度情況下的各次諧波幅值,發(fā)現(xiàn)在定子上應(yīng)用齒削角可有效降低的振動(dòng)噪聲[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)日益受到重視的今天，電動(dòng)車已會(huì)成為當(dāng)今社會(huì)的主流，而一款汽車的好壞，與其內(nèi)部電機(jī)的選擇有莫大的關(guān)系，而永磁同步電機(jī)由于它的高輸出轉(zhuǎn)矩和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)受到各大電機(jī)廠的喜愛(ài)。但是電磁噪聲是影響PMSM 振動(dòng)噪聲性能的一個(gè)主要因素，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)各種不同的技術(shù)手段和研究方法，對(duì)電磁力所造成的影響進(jìn)入了深入的研究，并在這些研究的基礎(chǔ)上，提供許多可參考的電機(jī)減振降噪的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為PMSM 的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。