車用異步電機噪聲分析和噪聲控制綜述

呂晗珺，閔永軍，徐曉美

（210037 江蘇省 南京市 南京林業大學 汽車與交通工程學院）

0 引言

如何解決電動機的噪聲問題始終是電機廠需要解決的主要問題。異步電機是汽車里的一種驅動電機，這種電機具有成本低、易弱磁、可靠性較高等優點，在大功率驅動場合的應用比較廣泛。根據噪聲產生的機理，異步電機的噪聲可以分為電磁噪聲、通風噪聲和機械噪聲三大類[1]。通風噪聲一般是電機中風扇和轉子產生的氣流聲被傳播出來形成的噪聲，而電磁噪聲、機械噪聲這2類噪聲受電機中各結構的振動影響。機械噪聲是由電動機的運轉結構之間產生摩擦、碰撞以及共振等引起的，主要的噪聲是由轉子和軸承的噪聲帶來的。本文主要就異步電機的各類噪聲形成的原因、噪聲控制方法展開討論和分析。

1 異步電機電磁噪聲問題

1.1 電磁噪聲產生的原因

電磁噪聲主要由電機各部分的磁拉力引起。異步電機的定子和轉子間存在一定的氣隙，運行過程中電機鐵心受到磁場的作用產生形成電磁振動的電磁力。電磁力的徑向分量導致定子和轉子發生變形，形成周期性的振動。電磁噪聲的來源之一就是徑向的電磁分力；而切向分力是與電磁轉矩相對應的作用力矩，它導致齒根部發生彎曲，某些部位產生振動變形，是電磁噪聲的另一來源[2]。

1.2 電磁噪聲的抑制方法

目前，國內外研究異步電機的電磁噪聲主要從電機斜槽、槽配合、繞組類型這幾方面展開。

1.2.1 采用斜槽降低噪聲

電機采用斜槽的目的是減小附加損耗，電機轉子鐵心采用斜槽設計有利于減小啟動電流，可以削弱諧波的影響，從而減小電機產生的噪聲值。

為了對比直槽和斜槽異步電機的噪聲大小，一些學者通過試驗的方法，將2 類電機在空載和負載的情況下產生的噪聲值分別進行對比，結果表明，采用斜槽的電機噪聲明顯更小。謝穎[3]等不僅通過試驗進行對比并且通過建立轉子直槽和斜槽的三維模型，對模型進行瞬態動力學分析，并用傅里葉分解和頻譜的方法計算了振動位移的頻率和幅值，結果表明，采用斜槽后電磁力波幅值和振動位移的波動都減?。籗prangers[4]提出一種IMs（Induction motors）的半解析模型，預測了靜磁場在氣隙以及定子和轉子槽內的分布，并驗證雙區域極槽更有利于提高電機性能，降低噪聲。

斜槽的處理方式有多種，唐慶華[5]等針對三相異步電機提出了定子斜槽、繞線轉子斜槽和鑄鋁轉子斜槽3 種方式，并分析了3 種斜槽方式的實現方式。定子斜槽由于加工工藝的限制必須在定子機座上進行加工，并且要注意防止加工時出現破裂的現象，所以定子斜槽的應用并不廣泛；而對于轉子斜槽來說，鑄鋁轉子斜槽的實現更為簡單。斜槽的結構有很多種，不同的電機可以采用合適的斜槽方式來達到最大限度的降噪目的。

斜槽距的設計對電機噪聲也會產生影響。工程上轉子斜槽一般傾斜一個齒距，但不夠精確，針對這個問題，文獻[6]提到了一種通過定、轉子槽數和極對數來計算最合適斜槽距的方法。單斜槽的結構簡單且可以降低噪聲，但有時出現氣隙偏心問題時，仍不能滿足降噪的需求。鮑曉華[7]等提出一種雙斜槽結構，并用多層分段的模型對比了采用雙斜槽和直槽的電機出現偏心時力的分布，發現雙斜槽電機徑向電磁力更小。所以，雙斜槽轉子具有更強的性能，同時可以解決氣隙偏心產生更多電磁力的問題，抑制噪聲的效果更明顯。

1.2.2 優化定、轉子槽配合

異步電機中定、轉子的槽數和槽配合對電機的噪聲值會產生影響，主要是由于縫隙諧波的作用，選擇合適的定子和轉子縫隙數是很重要的。針對縫隙諧波的影響，文獻[8]中提出一種轉子開槽的方法，在不增加材料的前提下，減小了諧波引起的振動，并用有限元法計算了麥克斯韋力諧波，利用樣機試驗驗證了方法對降噪有效；賀玉民[9]等針對槽配合是如何影響徑向電磁力波進而影響電機噪聲的問題進行了詳細的理論分析，結合定子鐵心模態對電機電磁噪聲進行了分析，并利用頻譜分析儀驗證了槽配合對電機噪聲有重要影響；文獻[10]對具有低電磁噪聲的異步電機定、轉子齒產生的徑向力進行有限元和模態分析，分析了插槽協調度為36/20，36/22，36/24 時產生的噪聲值，發現協調度為36/24 時噪聲最小；文獻[11]分析了不同槽型組合的電磁力階，通過模態分析計算定子的固有頻率，采用有限元方法計算了電機徑向電磁應力波的時空變化特征，并采用二維傅里葉分析方法對其進行了時空分析，對比得到了產生噪聲最小的電機槽型組合。

電機中磁通密度分布與槽配合的選擇也有關系，針對槽配合的改變如何影響磁通分布的問題，王曉遠[12]等用有限元仿真軟件分析了6 種不同槽配合電機的性能，得到不同磁通密度分布。當轉子槽數逐漸增加時，電機氣隙中的電磁阻不斷增大，而磁通密度幅值降低，電機噪聲也隨之減少；禹利華[13]等針對高功率密度電機的電磁噪聲進行槽配合的優化，選用5 種不同槽配合方案，分別計算其電磁力波，選擇較高力波階數、幅值小的槽配合，再對其進行4 個不同測量點的電磁噪聲實測頻譜，驗證選擇合適的槽配合可以降噪。

1.2.3 選擇合適的繞組類型

繞組的類型對電機噪聲會產生一定影響，選擇產生較小諧波磁勢的繞組對于降噪是非常有利的。異步電機繞組可以分為單層繞組和雙層繞組，單層繞組的線圈工藝較簡單，但產生的電磁波形較差，電機的耗損和噪聲都比較大。雙層繞組的電磁波形可以得到優化，相對來說性能更好。

為了比較單層和雙層繞組的降噪效果，Razvan[14]等用2D 軟件對單層和雙層繞組進行電磁分析，結果雙層繞組定子表面受到的壓力、轉矩產生的脈動幅度以及諧波幅度比單層繞組低，再用3D 模型機械分析定子殼體的固有頻率，在半消聲室內測量噪聲值，發現雙層繞組噪聲的聲壓級較低；艾萌萌[15]等通過分析雙轉子的環形繞組的結構和磁路提出一種不同結構的異步電機，分析其電磁特性并與傳統電機對比，發現采用該環形繞組的結構可以提高電機的性能并且可以抑制噪聲的產生。對于多相異步電機來說，繞組結構的可能組合也會影響電機噪聲。Muteba[16]等針對繞組的組合做了一系列研究，以五相異步電機為例設計繞組因素，并用有限元法對不同五相繞組排列進行建模，指出采用雙層、三層繞組組合并將線圈側移到另一層可以減小電機轉矩脈動，使電機的噪聲更小。

2 異步電機通風噪聲問題

2.1 通風噪聲產生的原因

通風噪聲是由于電機中氣流壓力發生變化和急劇脈動而產生的，氣流和風路管道產生摩擦也會產生噪聲。電機運行過程中，氣流經過突出的障礙物時，黏滯力將通過的氣流分成小渦流，形成的渦流導致空氣的壓縮和稀疏，形成渦流噪聲。電機中風扇在高速運轉時，風扇與空氣之間發生相互作用形成壓力脈動，從而帶來旋轉噪聲，氣流在遇到一些阻礙物時會產生干擾并發出笛聲。

2.2 通風噪聲的控制

由通風噪聲產生的原因以及影響通風噪聲的因素，可以從風源和傳播方向兩方面分析如何降低通風噪聲。電機的通風噪聲主要是風扇和轉子的旋轉產生的，其中以風扇產生的噪聲為主，所以抑制風源可以通過優化電機風扇來實現；而從傳播途徑降噪可以利用消聲器來減弱噪聲。

在優化風扇設計這方面，王立名[17]等對風扇做出改進方案，通過減小外風扇的直徑和寬度降低了電機的噪聲值并提升了電機的效率，并比較了圓弧形與平板形后傾式葉片產生的噪聲和使用性能，發現選擇圓弧形的葉片噪聲更?。籏im[18]等通過數值分析確定影響通風噪聲的因素，將風扇葉片角度、數量、形狀作為電機模型的設計參數，通過案例分析確定葉片的數量，選擇槽楔形葉片并減小葉片的直徑，最后進行噪聲測試，發現改進后的模型噪聲小于基礎模型。

如果聲源這方面不能控制噪聲，可以從聲音傳播途徑降噪，消音罩就是一種既可以通過氣流，同時削弱甚至阻止聲音傳播的裝置。文獻[17]針對消聲罩安裝在進風口和出風口以及增加吸聲尖劈前后電機噪聲值變化的問題設計了多種消聲罩安裝方案，通過實驗比較各方案可以降低噪聲值的大小，判斷出在進風口加消聲罩并添加吸聲系數高的吸聲尖劈的降噪效果最優。

3 異步電機機械噪聲問題

3.1 機械噪聲產生的原因

機械噪聲產生的原因可以分為3 類：（1）轉子不平衡。當轉子分布不均勻，轉動時會形成離心力，力在支座上產生數值和相位均一樣的振動為靜不平衡，數值一樣但相位有異的振動為動不平衡，兩者都有為混合不平衡；（2）軸承噪聲。軸承在較為復雜的工況下運轉時會隨著轉子一起旋轉，發生相對振動時撞擊而產生噪聲，軸承裝配得不合適也會引起機械噪聲；（3）構件發生共振。當電機的任意一個構件自身固有的頻率與其他某一個頻率相似時，就會產生構件共振。

3.2 機械噪聲的抑制方法

3.2.1 改善軸承-轉子系統的穩定性

在旋轉機械中，軸承和轉子系統的穩定性是重要的使用性能，由于材料質量的不均勻、設計轉子時產生的各種誤差等原因都容易導致轉子各位置質量不均，不均勻的轉子在高速轉動時會產生噪聲。當電機在復雜的工況下運行時，軸承隨著轉子的旋轉會產生碰撞噪聲，軸承的裝配不合適也會引起噪聲。目前，對于轉子和軸承不穩定產生的噪聲問題，主要是從轉子動平衡、軸承結構和軸承的裝配方面進行研究。

針對轉子不平衡所產生的噪聲，許多學者提出了動平衡法。王瑞[19]等針對高速電機的轉子不平衡做了實驗，利用傳感器測量不平衡引起的振動得到不平衡量，用影響系數法校正動平衡配重，該方法提高了動平衡速度，并且在實驗中可以得知轉子的最高轉速以便轉子工作時不超過最高轉速引起更大的振動。但是這種測試方法不能精確測量出不平衡的位置；文獻[20-21]利用觀測器精確估計轉子動態不平衡擾動，并將其從總擾動中分離出來，從而估計出轉子動態不平衡的個數，這種方法提高了測量轉子不平衡的精確度。

異步電機在車輛上作為驅動電機，為提高軸承-轉子系統的性能，系統轉速要提高，會導致操作過程中產生更多的彎曲共振頻率交叉，從而引起振動。針對軸承-轉子系統產生的噪聲，一些學者從軸承設計上做了一系列研究。Becker，S.Heindel 等分別在文獻[22-23]提到一種壓電作動器控制的主動軸承可實時主動平衡轉子，并通過閉環控制器使轉子始終保持在旋轉中心，避免軸承和轉子不穩定引起噪聲。文獻[24]提到擠壓油膜阻尼軸承可以通過對轉子施加外油膜阻尼力來抑制軸承-轉子系統的額外振動；S.Zhang[25]介紹了一種具有可調能力的軸頸軸承，設計制作了可調軸承的物理模型，并建立了剛性和柔性試驗臺對軸承-轉子系統在各種振動狀態下的振動抑制行為進行了實驗研究，驗證了該軸承對軸承-轉子系統在不同振動狀態下的振動有抑制作用。

對電機軸承施加適當的壓力也可以降低噪聲。周俊[26]等提出2 種對軸承施加適當壓力的方法降低噪聲，第一個是使用波形彈簧片，在軸承室增加一個耐油橡膠圈，可以抵住前軸承的外邊緣來降低噪聲，但該方法需要在前軸承室留出合適的空隙；第二個是針對閉室的軸承室，在貼著軸承的內緣開一個卡簧槽，選擇合適的卡簧卡住軸承，防止轉軸帶動軸承竄動。

電機內軸承的結構參數對噪聲是否有影響，一些學者通過建立軸承噪聲模型，分析出軸承徑向游隙越大產生的噪聲也隨之增大，曲率半徑增大噪聲反而減小，所以，針對不同的噪聲要求選擇合適的結構參數對噪聲的抑制有一定的作用。

3.2.2 抑制構件共振

電機機殼、定子等電機構件產生共振也是產生機械噪聲的原因之一。吳旭升[27]等分析出當定子的結構無異時，電機機殼設計會影響電機自振頻率，對電機噪聲傳播也產生影響，繪制出機殼剛度隨機殼外徑的變化曲線，發現當機殼外徑增大時，剛度隨之下降，而電機自振頻率降低。所以，為避免共振，可通過改變機殼的外徑來實現，同樣，可以通過改變電機的質量來改變振動的位移降低噪聲值；文獻[28]將分別帶有鋁制和灰鑄鐵定子殼的電機進行噪聲測試，對電機的固有頻率進行分析，發現電機的某些部分會形成共振引起噪聲，根據振動的頻率分量提出將起主要作用的前5 個頻率分量作為參考，在設計電機時，固定頻率如果避免產生這些分量則可以減少噪聲。實驗結果還表明，鋁制定子殼的電機噪聲更難抑制，因為間隙配合更容易引起共振的發生，而外殼和定子屬于緊密配合的電機產生的振動容易抑制。

4 總結

本文將異步電機噪聲分為3 類，分析和總結了噪聲產生的原因和抑制方法。從減少電機電磁諧波產生的角度，電機降噪主要考慮斜槽設計、轉子和定子槽配合以及繞組結構設計。優化定、轉子結構雖然可以降噪，但是可能降低電機穩定性，所以，對電機定、轉子結構優化的同時，應考慮電機運行的穩定性；在改善異步電機通風噪聲時，大部分都通過優化電機風扇的結構和尺寸設計來降噪，而關于消聲罩設計的研究較少；電機各部件結構和加工工藝的優化也亟待深入研究。