新能源汽車永磁同步電機振動噪聲問題研究綜述

秦 臻 黃月芹 林偉健 尹 帥

（柳州工學院機械工程學院,廣西 柳州 545000）

為降低二氧化碳的排放量，汽車技術加速朝著電動化、輕量化和智能化方向發展。在政策和市場雙重利好的情況下，過去幾年我國新能源汽車市場異常火爆，呈現井噴的狀態，每年銷量增速超過100%，明顯領先于美國和歐洲等地區。隨著新能源汽車進一步走入人們的生活，人們對新能源汽車的要求也在不斷提高，其中對整車的振動噪聲性能要求更為苛刻。由于新能源汽車沒有發動機的噪聲，驅動電機的噪聲會顯得更加明顯。因此，降低新能源汽車驅動電機的振動與噪聲在整車NVH（noise、Bibration、harshness）研究中顯得尤為重要。永磁同步電機具有結構簡單、功率因數高、啟動轉矩恒定、調速范圍寬等特點，已逐漸成為電動汽車驅動電機的首選。但隨著汽車的輕量化設計，又使得電機的結構剛度變差，徑向電磁力波幅值增大，導致電機的振動和噪聲明顯[1]。

1 永磁同步電機噪聲分類

永磁同步電機的噪聲產生機理復雜，與多個物理場相關，且涉及的學科廣泛，包括電磁學、機械振動、聲學等眾多學科。根據電機噪聲的產生方式，可以將其分為3種：電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲[2-3]。

1.1 電磁噪聲

目前普遍認為，電磁振動是導致電機電磁噪聲的主要原因，而電磁振動是以電磁力波為能量源，由電機的定子和轉子共振而產生。因此，以電磁力波為分析對象，降低電磁力波的激振影響是降低電機噪聲的重要解決途徑[4]。

1.2 機械噪聲

電機本身的制造裝配工藝誤差產生的轉子不平衡，電機在使用一段時間后導致的軸承磨損，以及本體固有頻率匹配不合理導致的共振現象，均是電機機械噪聲產生的原因。轉軸中心線與轉子質量中心線不重合，會引起轉軸旋轉頻率及倍數頻率的旋轉噪聲，并伴隨有一階振動出現[5]。

1.3 空氣動力噪聲

空氣動力噪聲主要是由電機高速旋轉時機座內腔氣體壓力的急劇變化和氣流與流經通道的摩擦所產生，通常隨氣流傳播[6]。大部分車用永磁同步電機采用水冷，無風扇，故可以認為空氣動力噪聲的貢獻可以忽略。

當前研究表明，從產生機理、處理難度、噪聲占比等方面來說，電磁噪聲的處理起著至關重要的作用。

2 電機電磁噪聲研究現狀

多年來，國內外許多學者以電磁噪聲的產生機理為切入點，比較深入地研究了引起電機電磁振動噪聲的各種因素，包括電磁力波的特性、定子的模態特性，以及由電磁力引起的聲輻射特性。韓國學者Hong-Seok Ko（2004）認為電磁振動源有3類：齒槽轉矩、轉矩脈動和徑向力波，其中貢獻最大的是徑向力波[7]。美國的Rakib Islam等（2010）研究并分析了永磁同步電機的噪聲和振動，并認為根源是徑向力引起的電磁振動而不是切向力引起的轉矩脈動[8]。對于電磁噪聲的研究，首先要準確地描述電機電磁力波的特性。目前，電磁力的常用分析計算方法主要分為解析計算法和有限元法。

解析計算法所得結果為解析表達式，能深入地分析電機的內在規律，但建模過程復雜。1985年，S.J.Yang提出了計算電磁力波的磁勢乘磁導法[9]。2013年，我國的陳永校教授也對電磁力的解析計算進行了深入的研究，推導了永磁同步電機的電磁力波與氣隙磁場的表達式。經過一系列的研究，磁勢乘磁導法最終被學者們廣泛采用，該計算方法簡單省時，但對實際的氣隙磁密分布僅給出了一個近似值，并且含有相近次數的磁導和磁動勢諧波，但其分析精度較低，不能很好地分析電機飽和、開槽和轉子運動對電磁力波的影響[10]。

隨著計算機信息技術的迅速發展，越來越多的研究人員開始采用有限元法對電機的振動噪聲進行研究。2012年，申秀敏等建立了電機定子結構的有限元仿真模型，并進行了有限元模態仿真計算，得到了定子結構的模態頻率和振型，發現電機定子結構的前六階模態頻率較低，電機空載工況在調速過程中所激發的電磁力容易引起電機定子結構的共振[11]；2017年，同濟大學的林福等人建立了考慮電流諧波的模型，相比于有限元軟件的直接計算，該模型在計算速度與精度上得到了較大的提升[12]。2018年，同濟大學的牛治東等通過研究電動汽車的混沌動力學特性，建立了小波神經網絡預測模型對混沌時間序列進行預測，利用Wolf方法計算得到最大李雅普諾夫指數，發現振動加速度信號存在混沌運動[13]。目前，我國采用有限元法分析電磁力波的還不多見，尚處于起步階段。

3 電機結構模態研究現狀

模態參數可以由計算或實驗分析獲得，獲取參數的分析過程即模態分析。模態分析是近代研究結構動力特性的常用方法，是系統辨別法在振動和噪聲領域中的應用[14]。目前，驅動電機模態分析的常用研究方法有數值模態分析和實驗模態分析。分析方法具有簡單、計算量小、精度低等優點。隨著電機結構復雜性的增加，其計算精度已不能滿足工程要求。隨著計算機信息技術的發展，越來越多的學者采用有限元方法對電機進行模態分析計算。采用試驗與理論相結合的模態分析方法，對電機結構的模態參數進行識別、分析和評價，找出電機結構動力性能存在的問題，根據電機結構固有頻率的模態分析結果，對電機的電磁噪聲進行預測和控制[15-16]。1986年，合肥工業大學的黃禮文用模態分析法對電機定子鐵芯的振動進行了分析，利用現代傅里葉系數及其專用的模態分析設備，準確地測出了定子鐵芯的模態固有頻率、模態阻尼系數和模態振型[17]。2003年，F.Ishibashi、K.Kamimoto等采用有限元方法計算了電機的模態[18]，并對結果進行了驗證。2018年岳東鵬等對電機定子機殼的模態進行了仿真，在得到電機前五階的模態振型及固有頻率的基礎上，運用聲學仿真軟件建立了電機的聲學有限元網格，將電機的電磁力與電機模態網格進行耦合，求解電機的電磁振動與噪聲，得到電機電磁噪聲在不同頻率下的聲場聲壓分布[19]。2012年，同濟大學的張范輝等學者在ANSYS有限元分析軟件中建立了定子結構的參數化模型[20]，并基于此模型進行了優化設計，使振動噪聲性能改善的同時還達到了輕量化設計的目的。

4 電機聲輻射研究現狀

早期，國內外學者主要通過分析方法來對電機噪聲進行研究。然而，隨著工程要求和研究水平的不斷提高，分析結果越來越難以滿足實際工程要求。同時，隨著有限元方法的普及和計算機技術的不斷進步，商業有限元分析軟件逐漸被廣大研究人員所采用。

1989年浙江大學的諸自強等認為，電機的聲輻射模型相當于一個長圓筒，根據電機表面振動速度和表面附近空氣的聲壓，計算電機的輻射聲功率，具有公式簡單、計算方便、省時等優點[21]。1992年，諸自強等將有限元法與傅立葉級數分析相結合，計算了電機輻射聲功率，這種方法考慮了端蓋對輻射功率的影響，在當時具有重要意義[22]。2019年，牛寧基于殼體理論簡化電機定子結構為內部圓柱殼，建立了帶肋圓柱自由振動模型，并驗證了該模型的精確性。

5 總結與展望

本文對車用永磁同步電機噪聲的分類，以及常用的降噪減振方法，即電磁噪聲、結構模態以及電機表面聲輻射三個方面的研究情況進行了分析與總結，發現將永磁同步電機的各物理場耦合后綜合分析振動噪聲的研究較少。后續的研究可以考慮將電磁、結構、聲學結合，展開多物理場的耦合分析。本文為后續的新能源汽車永磁同步電機振動噪聲研究提供了參考和借鑒。