車用永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲研究綜述

王剛，王濤，穆寶茂

車用永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲研究綜述

王剛，王濤，穆寶茂

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

文章分別從電磁力波、電機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)、電機(jī)聲輻射三個(gè)方面論述了國(guó)內(nèi)外近年來車用永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了近年來車用永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲研究領(lǐng)域的成果，為后續(xù)降低永磁同步電機(jī)及新能源汽車振動(dòng)噪聲提供了參考。

永磁同步電機(jī)；振動(dòng)噪聲；新能源

引言

近年來，隨著新一輪的科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)變革，電動(dòng)汽車市場(chǎng)也取得飛躍性增長(zhǎng)。過去5年我國(guó)電動(dòng)車市場(chǎng)的增速為平均每年107%，遙遙領(lǐng)先于增速為30%~40%的美國(guó)和歐洲主要國(guó)家市場(chǎng)[1]。隨著新能源電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展，對(duì)電動(dòng)汽車要求也不斷提高，安靜舒適的電動(dòng)汽車也成為吸引消費(fèi)者購(gòu)買的一大重要因素。

由于電動(dòng)汽車沒有傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等部件，雖然整體噪聲會(huì)有所下降，但在高頻時(shí)缺少發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的掩蔽效果，導(dǎo)致電動(dòng)汽車中的電機(jī)高頻嘯叫更加顯著，令人難以接受，因此如何降低電機(jī)中產(chǎn)生的噪聲也具有十分重要的意義。作為主流之一的永磁同步電機(jī)，其自身具有高功率、高可靠性、發(fā)熱小等特點(diǎn)，也是作為目前電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要選擇之一[2,3]。隨著目前電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)朝著大功率與大轉(zhuǎn)矩的方向不斷發(fā)展，隨之而來整體噪聲也會(huì)不斷加大。因此如何在確保滿足永磁同步電機(jī)功率與轉(zhuǎn)矩的前提下，最大限度地降低電機(jī)的輻射噪聲值變得具有十分重要的意義。

目前對(duì)于永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲的研究也吸引了大批國(guó)內(nèi)外學(xué)者。本文從電機(jī)電磁力波、電機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)和電機(jī)輻射噪聲三個(gè)方面對(duì)當(dāng)前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)闡述。

1 電機(jī)電磁力波研究現(xiàn)狀

電機(jī)振動(dòng)噪聲主要是由徑向電磁力產(chǎn)生，目前主要研究方法為解析法與有限元法兩種。解析法所得結(jié)果為解析表達(dá)式，能深入的分析電機(jī)的內(nèi)在規(guī)律。有限元法精度有所提升，但會(huì)增大計(jì)算機(jī)的運(yùn)行內(nèi)存，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較高。對(duì)于解析計(jì)算法，英國(guó)學(xué)者 S.J.yang首次提出電機(jī)電磁力波的磁勢(shì)乘以磁導(dǎo)的這一計(jì)算方法，并且電磁力波對(duì)電機(jī)輻射噪聲的影響，尤其在電磁力的頻率接近于電機(jī)定子的模態(tài)頻率時(shí)，會(huì)由于共振引起十分大的噪聲[4]。2013年，合肥工業(yè)大學(xué)陳秋名教授推導(dǎo)出變頻供電的這種條件下，永磁同步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)與電磁力波的表達(dá)式，并且對(duì)其中階數(shù)低。幅值大的力波進(jìn)行了分析[5]。

由于解析法未能考慮槽形變化以及電機(jī)飽和程度對(duì)磁場(chǎng)的影響，計(jì)算精度差。因此數(shù)值計(jì)算方法便得到廣泛應(yīng)用。近年來由于計(jì)算機(jī)軟件的迅速發(fā)展，因此越來越多的學(xué)者采用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算徑向力。JL Besnerais 等人通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行電磁力有限元分析，提出了一種改變電機(jī)定子槽寬度的方法來降低電磁噪聲[6]；沈陽工業(yè)大學(xué)的于慎波教授對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲特性進(jìn)行了深入的研究[7]，2006年沈陽工業(yè)大學(xué)的于慎波教授針對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行了分析，得出了轉(zhuǎn)子諧波對(duì)電磁力影響較大的結(jié)論[5]。2009年，山東大學(xué)張冉通過比較磁極偏心、開輔助槽等措施，合理地優(yōu)化永磁電機(jī)在空載情況下的電磁力[8]。2010年，R Islam等人通過比較不同槽極配合的電機(jī)狀態(tài)，對(duì)比分析了電機(jī)徑向電磁力的頻譜特征，通過仿真與試驗(yàn)得到出電機(jī)的振動(dòng)噪聲的分布，發(fā)現(xiàn)電機(jī)振動(dòng)噪聲主要來源為電磁力，并不是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)[6]。2017年，同濟(jì)大學(xué)的林福等人在考慮電流諧波的基礎(chǔ)上，并與有限元軟件直接計(jì)算的結(jié)果對(duì)比。通過該模型計(jì)算可以提高了計(jì)算速度與精度[4]。2018年，重慶理工大學(xué)的王波研究殼體變形對(duì)電機(jī)磁固耦合分析的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)考慮定子變形前后，電機(jī)性能以及電磁力密度分布、幅值等均與未變形差別不大，因此在針對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲仿真時(shí)，殼體變形的影響可以忽略不計(jì)[9]。

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)研究現(xiàn)狀

電機(jī)的模態(tài)研究目前主要有兩種研究方法：解析法與實(shí)驗(yàn)法。解析法主要分為單、雙環(huán)型機(jī)電類比法，其計(jì)算方法具有簡(jiǎn)單、快速的特點(diǎn)，但精度不高，在一些電機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況，則很難精確計(jì)算。只能滿足一般的工程計(jì)算要求[10]。隨著有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，越來越多學(xué)者采用商業(yè)有限元軟件來進(jìn)行電機(jī)模態(tài)的計(jì)算。2003年，F(xiàn). Ishibashi、K. Kamimoto等通過有限元方法對(duì)電機(jī)的模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，并利用實(shí)驗(yàn)對(duì)有限元進(jìn)行了驗(yàn)證。2011年，代穎、崔淑梅等研究了電機(jī)的定子總成、定子、整機(jī)等不同構(gòu)件對(duì)電機(jī)模態(tài)的影響[8]。2012年，張范輝、左曙光等學(xué)者在對(duì)目前普遍等效繞組研究方法上，系統(tǒng)地比較了6種不同的定子繞組的等效處理方式，并且將仿真結(jié)果通過與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到最符合實(shí)際模態(tài)情況的等效方式，并針對(duì)電機(jī)仿真模型進(jìn)行優(yōu)化處理[12]；2017年，李曉華、黃蘇融等學(xué)者在考慮繞組端部的情況下進(jìn)行模態(tài)仿真，利用該方法得到的結(jié)果與相較其他情況更為精確[10]。

3 電機(jī)聲輻射研究現(xiàn)狀

早期國(guó)外的學(xué)者研究電機(jī)的噪聲主要通過解析法來進(jìn)行計(jì)算。但隨著研究水平的不斷加深，解析法計(jì)算越來越難處理一些復(fù)雜的工程要求，其計(jì)算精度也難以保證的。并且隨著有限元軟件計(jì)算的水平不斷進(jìn)步，因此越來越多的人開始使用商業(yè)軟件來進(jìn)行電機(jī)的振動(dòng)噪聲計(jì)算。2011年，崔淑梅，于天達(dá)采用電磁學(xué)與聲學(xué)仿真軟件對(duì)永磁直流電機(jī)的噪聲進(jìn)行了分析[9]。2013～2014年，Islam M以及李曉華通過有限元軟件對(duì)永磁同步電機(jī)的振動(dòng)噪聲進(jìn)行了仿真，可以精確預(yù)測(cè)電機(jī)的振動(dòng)噪聲。2007 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)代穎對(duì)通過研究電機(jī)的模態(tài)與電磁力分布等，并對(duì)影響電機(jī)噪聲主要階次力波特征進(jìn)行了降噪處理。2012年，上海交通大學(xué)的何鶴建立了電機(jī)電磁噪聲的三維邊界元模型。并通過在半消聲室中的噪聲試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，建立的邊界元模型可以準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)輻射噪聲的幅值和分布[11]。

4 總結(jié)與展望

總體而言，對(duì)于永磁同步電機(jī)的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者仍以傳統(tǒng)的思路和方法為主并輔以CAE技術(shù)，基于電流控制及電驅(qū)動(dòng)力總成整體的角度的研究較少，剛起步不久，在今后的研究中將會(huì)是一個(gè)趨勢(shì)。

[1] 曲榮海,秦川.電動(dòng)汽車及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2016,10(3):82-86.

[2] 齊輝,李永輝,段建剛. 電機(jī)噪聲的類別、分類方法以及防治措施的研究進(jìn)展[J].微特電機(jī),2007,(3):46-48.

[3] 王再宙,宋強(qiáng),張承寧.電動(dòng)汽車用電機(jī)噪聲分析和降噪方法初探[J].微電機(jī)(伺服技術(shù)),2006,39(7):62-63.

[4] 舒波夫.電動(dòng)機(jī)的噪聲和振動(dòng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1980:10- 25.

[5] Yang S J.Low-noise electrical motors[M].Oxford:Clarelldon Press, 2012.

[6] Zhu Z Q,Howe D.Instantaneous magnetic field distribution in brushl -ess permanentmagnet DC motors.II.Armature-reaction field[J].IEEE Transactions on Magnetics,1993, 29(1):136-142.

[7] 陳秋明,陳勇.永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)噪聲機(jī)理研究[J].微特電機(jī),2013,41(8):1-5.

[8] 于慎波.永磁同步電動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲特性研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2006.

[9] R Islam,I Husain. Analytical Model for Predicting Noise and Vibra -tion in Permanent-Magnet Synchronous Motors[J].IEEE Transac -tions on Industry Applications,2010,46 (6) :2346-2354.

[10] 林福,左曙光,毛鈺等.考慮電流諧波的永磁同步電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲半解析模型[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2017,32(9):24-31.

[11] 王波.考慮殼體變形影響的電機(jī)磁固耦合振動(dòng)分析[D].重慶:重慶理工大學(xué),2018.

[12] 張范輝,左曙光,何呂昌,陳瑞峰.車用電機(jī)定子振動(dòng)特性的影響因素分析及優(yōu)化[J].微特電機(jī),2012,40(9):23-26.

Review of Research on Vibration and Noise of Permanent Magnet Synchronous Motors for Vehicles

Wang Gang, Wang Tao, Mu Baomao

( Chang an University, School of Automobile, ShaanXi Xi’An 710064 )

This article discusses the research status of vibration and noise of automotive permanent magnet synchronous motors in recent years at home and abroad from three aspects of electromagnetic force wave, motor structural modal, and motor sound radiation, and summarizes the research fields of vibration and noise of automotive permanent magnet synchronous motors The results provide a reference for the subsequent reduction of vibration and noise of permanent magnet synchronous motors and new energy vehicles.

Permanent magnet synchronous motor; Vibration and noise; New energy

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.061

U469.72

A

1671-7988(2021)04-199-02

U469.72

A

1671-7988(2021)04-199-02

王剛，男，長(zhǎng)安大學(xué)研究生，車輛工程專業(yè)，研究方向?yàn)檐囕vnvh技術(shù)。