基于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化的永磁同步電機噪聲分析

緯湃汽車電子(天津)有限公司 王秀銳 周 強

永磁同步電機（PMSM）作為新能源汽車三電產(chǎn)品的核心零部件之一，其產(chǎn)品性能決定了新能源汽車的市場競爭力。乘用車的舒適性要求電機在設(shè)計時盡可能地較小NVH噪聲，提升電機NVH性能水平成為各個企業(yè)追求的共同目標，因此如何抑制電機噪聲成為汽車零部件行業(yè)的熱點問題。在永磁同步電機中，主要有電磁噪聲、空氣噪聲和機械噪聲。在風(fēng)冷電機中，一般風(fēng)扇的扇葉產(chǎn)生的空氣噪聲是其主要的噪聲源。在水冷或油冷電機中，電機工作時產(chǎn)生的徑向電磁力作用于定子和機殼，使其變形振動，對外輻射形成電磁噪聲，電磁噪聲是主要的噪聲源。

提升電機NVH水平有多種方案，文獻[1]通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子隔磁橋設(shè)計使得電機噪聲下降了23%，但降低了轉(zhuǎn)子強度；文獻[2]采用轉(zhuǎn)子斜極的方式優(yōu)化齒諧波噪聲；文獻[3]通過改變電機的極槽數(shù)來達到優(yōu)化噪聲，研究發(fā)現(xiàn)，電磁力最低力波階數(shù)越高越有利于NVH。所有的這些設(shè)計都是為降低電機氣隙的磁密波形畸變率來優(yōu)化電機噪聲。在實際工作中，應(yīng)用到的額定功率為70kW、8極/48槽的永磁同步電機遇到了NVH不達標問題，本文以此問題作為研究對象，研究如何設(shè)計轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在保證輸出扭矩不變的前提下提升電機的NVH性能。

1 NVH不達標問題

振動噪聲分析。實驗在單電機半消聲室進行，在距離機殼表面一定距離布置左、上、右、前四個麥克風(fēng)，在機殼表面布置振動傳感器，通過LMS設(shè)備采集數(shù)據(jù)。通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：多個不同扭矩下，48階噪聲均在7300rpm左右，也就是5840Hz的頻率點存在NVH噪聲峰值，其中200Nm工況下噪聲最大為90dBA（圖1）；同時可看出48階殼體徑向振動遠大于其他兩個方向（切向、軸向）的振動。

圖1 200Nm 48階近場噪聲（10cm）聲壓級曲線

定子結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。實測定子0階模態(tài)頻率為5730Hz，與48階振動噪聲峰值頻率5840Hz十分吻合，誤差在2%以內(nèi)；基于上述結(jié)果，可判斷出48階徑向電磁力與定子0階模態(tài)耦合，導(dǎo)致了NVH噪聲峰值，進而使得NVH不達標。

2 理論與仿真分析

2.1 理論分析

定子繞組中通入三相正弦交流電產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子永磁磁場相互作用，在氣隙中會產(chǎn)生一系列的基波磁場和諧波磁場，這些磁場之間相互作用，在定子齒表面會產(chǎn)生隨時間和空間變化的麥克斯韋力；麥克斯韋力的切向分量產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動，徑向分量即徑向電磁力波，該力波作用在定子鐵心上，使得定子和機殼產(chǎn)生電磁振動并向外輻射噪聲，這是電機產(chǎn)生電磁噪聲的主要原因。

根據(jù)麥克斯韋方程組可知，PMSM定子齒部單位面積氣隙的徑向電磁力密度為：Pr(θ,t)=(Br2(θ,t)-Bt2(θ,t))/2μ0，其中，Pr(θ,t)為作用在定子齒部單位面積的徑向電磁力密度；θ為空間角度；t為時間；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m；Br為徑向氣隙磁密；Bt為切向氣隙磁密。

由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率遠大于氣隙中空氣的磁導(dǎo)率，氣隙中的磁力線近乎垂直于鐵磁材料的表面，切向氣隙磁密遠遠小于徑向氣隙磁密，所以忽略切向氣隙磁密的影響，則徑向電磁力密度可以簡化為：Pr(θ,t)≈Br2(θ,t)/2μ0，PMSM的氣隙中的磁密是由轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場相互作用產(chǎn)生的，其中轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁勢諧波為：u=2m+1，其中m=0,1,2,3…定子產(chǎn)生的諧波為：v=6n+1，其中n=0,±1,,±2,±3…則二者相互作用產(chǎn)生的徑向電磁力波的次數(shù)為：n=(u±v)×p，其中p為極對數(shù)，徑向電磁力波對應(yīng)的頻率為：f=[(2m+1)±1]×f1，f1為基波頻率。

本文研究的PMSM為8極/48槽的電機，按照公式f=[(2m+1)±1]×f1計算可以得到徑向電磁力波表（表1）。該電機主要存在2kp次電磁力波，其中v=-11/13次為定子一階齒諧波，當其與轉(zhuǎn)子的11/13次諧波相互作用時，二者空間極對數(shù)相等，合成后會產(chǎn)生0階電磁力，對應(yīng)的激勵頻率為12×f1，其中0階電磁力對電機的振動噪聲影響最大。當電機旋轉(zhuǎn)速度為7300rpm時，11/13次諧波對應(yīng)的0階電磁力激勵頻率為12×f1=12×7300×4/60=5840Hz，與定子0階模態(tài)5730Hz同頻且同型，會產(chǎn)生強烈的共振噪聲。

表1 電磁力波表

2.2 仿真分析

該永磁同步電機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：轉(zhuǎn)子極數(shù)8、定子槽數(shù)48、相數(shù)3、額定功率70kW、繞組8層Hair_pin、最大工作轉(zhuǎn)速16000。在Maxwell中采用1/8模型，通過給定的7300rpm對應(yīng)的電流及其電流角，在此基礎(chǔ)上對一個電周期時間內(nèi)的徑向電磁力波進行仿真，在保證輸出扭矩不變的前提下，盡量減小48階噪聲對應(yīng)的12階次徑向電磁力。優(yōu)化前，該永磁同步電機的轉(zhuǎn)子是沒有輔助槽的，本文計劃在轉(zhuǎn)子表面開矩形輔助槽，主要研究位置(0°、8°、16°、24°、34°、43°)、槽深(0.5mm、1mm、1.5mm、2mm)、槽寬(0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm)三個變量對徑向電磁力的影響。

從表2仿真結(jié)果中可看出：當固定矩形輔助槽的大小為2mm×2mm時，在34°位置（方案5）48階噪聲對應(yīng)的0階電磁力最小、為2190N/mm2，比優(yōu)化前的5100N/mm2下降了57%；在選定開槽位置為34°的基礎(chǔ)上，固定矩形槽寬為2mm，研究槽深的影響：當選擇1mm的槽深時（方案8）48階噪聲對應(yīng)的0階電磁力最小、為1800N/mm2，比優(yōu)化前的5100N/mm2下降了64%；在選定開槽位置為34°、槽深為1mm的基礎(chǔ)上，研究槽寬的影響：當選擇2mm的槽深時（方案14）48階噪聲對應(yīng)的0階電磁力最小、為1800N/mm2，比優(yōu)化前的5100N/mm2下降了64%。

表2 矩形槽結(jié)構(gòu)參數(shù)及仿真結(jié)果

基于上述仿真結(jié)果，選擇在34°位置、開2mm寬、1mm深的矩形輔助槽（方案8）作為最終方案。仿真出的優(yōu)化前與優(yōu)化后的輸出扭矩如圖2。通過對輸出的平均扭矩進行對比，優(yōu)化前平均扭矩為193.7Nm，優(yōu)化后平均扭矩為195.4Nm，可看出該方案對平均輸出扭矩影響不大。

圖2 優(yōu)化前與優(yōu)化后的輸出扭矩

2.3 實驗驗證

按照方案8進行轉(zhuǎn)子樣件加工，采用同樣的布置方案在單電機半消聲室臺架進行實驗驗證，200Nm對應(yīng)的48階近場噪聲聲壓級入圖3。實驗結(jié)果表明，48階近場噪聲在7300rpm時存在峰值，但已降為85dBA，比優(yōu)化前下降了5dBA。

圖3 200Nm對應(yīng)的48階近場噪聲聲壓級

3 結(jié)語

本文基于永磁同步電機中一個典型的48階噪聲問題，首先結(jié)合臺架測試和模態(tài)測試結(jié)果，得出了導(dǎo)致噪聲峰值的根本原因：48階徑向電磁力與定子0階模態(tài)的耦合問題；基于理論分析及仿真計算，在保證平均輸出扭矩不變的前提下，優(yōu)化了轉(zhuǎn)子表面開槽的結(jié)構(gòu)，使對應(yīng)的電磁力下降了64%，加工樣件并進行臺架測試后，實測數(shù)據(jù)下降了5dBA，取得了較大的改善；但在實際的工程項目中，轉(zhuǎn)子表面開輔助槽的大小及位置，還需從轉(zhuǎn)子強度的角度出發(fā)綜合考量。