風冷永磁同步電機噪聲分析與優化

王淑旺 馬志林 劉健

（合肥工業大學，合肥 230009）

主題詞：永磁同步電機 徑向電磁力 模態分析 固有頻率 殼體結構

1 前言

永磁同步電機作為新能源汽車的驅動電機，其振動與噪聲對整車的NVH性能有重要影響。電動機的噪聲主要有電磁噪聲、機械噪聲和空氣噪聲等。電磁力是引起電機機械振動和產生電磁噪聲的主要根源。電機定、轉子之間產生電磁力，電磁力的切向分量產生電磁轉矩，徑向分量引起機械變形，產生機械噪聲。電機結構復雜，剛度低，一旦電磁力的頻率與電機的固有頻率接近產生共振，危害較大。電機的振動不僅影響電機自身的運行安全，而且還會影響周邊的結構噪聲和環境振動[1]。因此，在電機設計過程中，不僅需要考慮電機性能，也要考慮電機的振動和噪聲特性。

目前，針對電機電磁力和電磁噪聲優化方法的研究已有很多。Islam R等[2-3]利用有限元軟件對不同齒槽配合的分數槽電機仿真獲得了各自負載和空載下的電磁力，并建立了定子齒所受電磁力的解析模型；Chen等[4]通過分析永磁同步電機定子各齒在不同轉子位置時所受的電磁力，給出了電磁力的模數和頻率，并指出模數較低的電磁力的齒槽配合引起的振動較大；左曙光等[5]通過節點轉移的方法考慮了電磁力的空間分布，并考慮硅鋼片和繞組的疊壓效應建立了精確的定子模型和永磁同步電機電磁振動的預測模型。現有研究通常采用二維有限元方法分析電機的電磁特性，研究電磁力的低階模數所導致的電磁噪聲[6-8]。永磁同步電機噪聲優化的方法主要包括改變電機結構和優化電流兩種。Lee等[9]針對一種內嵌式永磁同步電機，通過優化電機定、轉子機械結構增加定子剛度和減小氣隙磁場諧波，降低電機的振動和噪聲；孫劍波等[10]研究了開關磁阻電機的定子模態，發現改變散熱筋的結構對電機噪聲有很大影響；楊浩東等[11]分析了永磁同步電機電磁力的頻率和模數，利用補償電流的方法降低了電機的振動和噪聲。

本文以風冷永磁同步電機為研究對象，利用有限元軟件仿真分析其徑向電磁力特性，通過試驗獲得其定子和整機固有模態頻率，分析電機噪聲來源，提出一種通過改進電機結構降低噪聲的方法，并進行了試驗驗證。

2 電機電磁力分析

2.1 徑向電磁力數值分析

在電機內部，主磁通大致沿徑向路徑進入氣隙，在定、轉子間產生徑向電磁力，電磁力作用在定子上，引起電機結構變形，從而產生振動和電磁噪聲[12]。相對于徑向電磁力，切向電磁力對電機噪聲影響較小，為了簡化計算，通常忽略不計。根據麥克斯韋應力張量法，單位面積徑向電磁力的瞬時值Pn為：

式中，μ0=4π×10-7H/m為真空磁導率；t為時間；α為空間角度；bn(t,α)為氣隙磁密。

磁飽和的情況較為復雜，一般將其忽略，則氣隙磁密bn(t,α)可表示為[13]：

式中，f(t,α)為氣隙磁勢；λ(t,α)為磁導。

對于內置式永磁同步電機，定子開槽且轉子表面光滑，氣隙磁導可表示為：

式中，Λ0為氣隙平均磁導幅值；k為1,2,3,…；Λk為氣隙k次諧波磁導幅值；Z1為定子槽數。

空間r階徑向電磁力波的m次時間諧波為：

式中，r為空間電磁力波的階次；pm為空間電磁力波的幅值；w1為角速度；θm為相位。

合成空間r階徑向電磁力波的大小為[7]：

式中，am(t)、bm(t)為系數，取值隨電機轉速改變。

由式（5）可知，除0階以外，其余r階空間電磁力波都可看作兩個正交空間波形cos(rα)和sin(rα)的疊加。

對于整數槽永磁同步電機而言，定、轉子諧波磁場相互作用，而產生的徑向電磁力波引起的振動是電機電磁噪聲的主要來源[13]。定子繞組磁場諧波次數為：

式中，p為極對數。

轉子諧波磁場極對數為：

因此，定、轉子諧波磁場相互作用的徑向電磁力波次數可表示為：

由式（8）可知，整數槽永磁同步電機的徑向電磁力波次數可能為0階或電機極數的整數倍。經以上分析，電機的空間電磁力波階數存在0階和8階。同樣尺寸下，徑向電磁力波的模數越小，電機發生變形時，其結構上相鄰兩節點之間的距離就越遠，引起的振動越大，因此低階徑向電磁力波是電機振動和噪聲的主要來源，8階以上的電磁力影響較小，可以忽略不計[14]。所以0階和8階電磁力是引起電機振動和噪聲的主要原因。

2.2 電機電磁力仿真分析

作為研究對象的18 kW風冷永磁同步電機的結構如圖1所示，其參數如表1所示。

表1 電機參數

表貼式永磁同步電機氣隙磁密分布均勻，其電磁力的解析法計算可參考文獻[15]～文獻[18]。而內置式永磁同步電機氣隙磁密較復雜，電磁力采用解析法計算比較困難，所以通常利用有限元法計算獲得。在有限元軟件中設置仿真參數如表2所示，建立電機的二維有限元電磁仿真模型，如圖2所示。

表2 仿真設置參數

圖2 電機有限元模型

時步有限元法是永磁同步電機空載特性仿真分析的常用方法，轉子以固定步長旋轉時，可得到不同時刻電磁力在定子內徑圓周上的分布情況。對所得電磁力進行二維快速傅里葉變換，可得到電磁力在時間和空間上的分布情況。電機轉子15°位置沿定子內徑圓周上的電磁力分布如圖3所示，電磁力諧波分析結果如圖4所示。

圖3 電機徑向電磁力密度

圖4 電機徑向電磁力諧波分析

由圖3可知，電磁力在定子內徑圓周上呈周期性變化。電磁力通過周期性地作用于定子使其發生變形而產生電磁噪聲。由圖4可知，電機除存在0階徑向電磁力波外，還存在8階電磁力，仿真分析結果與數值分析結果一致。因此，需要通過削弱0階和8階電磁力對電機的影響降低電機噪聲。

3 改進前電機噪聲分析

3.1 電機噪聲測試分析

利用聲學測量設備和分析軟件對改進前的永磁同步電機進行噪聲測試，分析其噪聲階次。測試和分析結果如圖5、圖6所示。

圖5 電機勻加速近場噪聲自功率譜

圖6 電機近場噪聲

由圖5可以看出，電機噪聲在約500 Hz處發生突變。由圖6可知，轉速達到4 000 r/min時，電機總體噪聲發生突變，噪聲達到最高值，而在1 350 r/min和2 000 r/min附近存在兩個次突變點。500 Hz約為永磁同步電機機械旋轉頻率的8倍，而提取出的8階電磁噪聲曲線在4 000 r/min處的變化情況與上述情況相符。8階噪聲水平決定了電機總體噪聲水平，所以需要通過改善8階噪聲改善電機整體噪聲水平。

3.2 電機模態測試分析

永磁同步電機的結構模態分析是判定電機是否發生共振的重要手段。電機除受到電磁力的受迫振動外，還有自身的自由振動。通過試驗獲得定子和整機的固有模態階次和頻率如表3和表4所示。截取定子在565 Hz的2階模態振型和整機在550 Hz的1階模態振型如圖7和圖8所示。

通常，電機低階固有模態更易被外界激勵引起共振，電機的振動和噪聲主要通過定子和殼體向外輻射。由表3和表4可知，定子和整機的低階固有模態頻率十分接近，已知電機可能發生的共振頻率在500 Hz附近，因此初步確定電機8階電磁力的作用導致定子發生共振，使其變形更劇烈，造成噪聲突變，增大了整體電磁噪聲水平。0階電磁力的頻率通常較高，一般不會對電機低階模態產生影響，但會對整個電機噪聲水平有所影響。

表3 定子模態振型

表4 整機模態振型

圖7 定子2階模態振型

圖8 整機1階模態振型

4 優化方案

4.1 結構優化

永磁同步電機電磁振動主要由電機機械結構和控制策略兩方面的因素引起，本文僅研究從電機機械結構上削弱電機的振動，主要考慮永磁電機的齒槽轉矩和定、轉子永磁體之間相互作用的徑向力。削弱齒槽轉矩的方法有很多，包括采用分數槽配合、斜槽或斜極、優化極弧系數和增加輔助槽等[18]，但都可能改變電機的電磁方案，影響電機的其他性能表現。

需要在保證單機電磁方案不改變的條件下提高定子結構的剛度，以改變其固有特性。基于以上分析，本文通過改善風冷永磁同步電機殼體結構降低電機的噪聲水平。在易被電磁力激起的電機殼體處設置寬度為3 mm的固定結構，既可以抑制電機振幅較大位置處的振動，也可以通過改變定子的低階固有頻率削弱8階電磁力對電機結構的影響。改進后的殼體結構如圖9和圖10所示。

4.2 熱仿真分析

改變永磁同步電機的殼體結構會影響電機的散熱效果，需進一步對電機進行熱仿真分析。電機在額定功率為18 kW，峰值轉速為6 000 r/min的工況下，設置電機的環境溫度為26℃，冷卻液的流速為0.58 m/s，改進前、后仿真結果如圖11所示。

圖9 固定結構位置點示意

圖10 改進后電機殼體結構示意

圖11 電機溫升結果

從圖11可知，改進前、后的電機溫度最高分別為133.35℃和135.40℃，改進后的電機溫升幅度較小，滿足工作要求。

5 試驗驗證

利用上述改進方案加工了一款樣機，并對樣機分別進行模態測試和噪聲測試，如圖12和圖13所示，測試結果如表5、表6和圖14所示。

圖12 改進后樣機模態測試

圖13 改進后樣機噪聲測試

表5 改進后定子模態振型

表6 改進后整機模態振型

圖14 改進前、后電機噪聲對比

由表5和表6可知，改進后的電機定子和整機低階模態頻率相較于改進前分別提高了27 Hz和21 Hz，頻率相對較高的模態振型改進后其頻率提高較多，模態移頻后，低階定子和整機模態頻率與8階電磁力波的頻率差值增大，電磁力波引起的共振減弱，則電機的振動和噪聲降低。

由圖14可知：優化后電機噪聲降低約11 dB(A)；同時，在1 350 r/min和2 000 r/min兩個次突變點處電機噪聲也分別有一定程度的降低，而在3 000～3 500 r/min之間的噪聲也有較大幅度降低；優化后的電機噪聲突變相對于優化前更加平緩。測試結果表明，采用本文提出的優化方法，電機噪聲明顯改善。

6 結束語

本文以某風冷永磁同步電機為研究對象，分析電機的徑向電磁力，并進行噪聲和模態測試，得到定子和整機的振型階次和固有頻率，分析電機產生噪聲的主要根源，提出了一種通過改進電機殼體結構優化電機噪聲水平的方法，并進行了試驗驗證，電機噪聲得到了降低。綜上，可得以下結論：

a.當電機電磁力的頻率與電機定子固有頻率接近時，電機可能發生共振，應盡量避免。

b.通過改進殼體結構改變電機的固有頻率后，電機的噪聲改善效果明顯。