內置式永磁同步電機電磁噪聲的削弱研究

韓 懷 王 偉

（中車株洲電機有限公司 株洲 412001）

引言

近年來，永磁同步電機由于其獨特的優勢，在工業領域、車用牽引領域等得到了廣泛的應用[1]。隨著國內外驅動裝備制造技術的不斷提升，電機噪聲問題越來越引起人們的關注，振動噪聲性能已經成為評判電機品質優劣的重要指標之一。

電機的噪聲類別中，電磁噪聲為主要噪聲源[2]，需重點分析，電磁噪聲主要由徑向力波產生[3,4]，分析電磁力波對計算和抑制電磁噪聲至關重要。文獻[5]推導了轉子分段斜極的徑向力波表達式，研究了不同斜極分段數對電磁噪聲的影響，并驗證了該方法的有效性。文獻[6]以車用永磁同步電機為研究對象，通過改變轉子隔磁橋的結構形狀，改變磁路走向來抑制電機的振動噪聲。文獻[7]運用多物理場耦合分析的方法，仿真分析了車永磁同步電機的電磁振動噪聲，最后對仿真結果進行了試驗驗證。文獻[8]采用轉子分段斜極的方法來抑制齒諧波，削弱0階電磁力，降低了電機的電磁噪聲。文獻[9]對電磁力進行了理論推導分析，通過試驗驗證了0階電磁力是電機產生振動噪聲的主要力波。

本文對某用途內置式永磁同步電機的電磁噪聲展開了研究，采用在電機轉子表面開輔助槽的方法對電機轉子結構進行優化，基于有限元法，通過仿真計算對比，結果表明優化效果明顯，有效地削弱了電機的電磁噪聲。

1 電磁分析

1.1 電機模型與設計參數

本文研究的永磁同步電機轉子結構如圖1所示。表1給出了電機的部分主要參數。

表1 電機參數

圖1 電機轉子結構圖

1.2 徑向電磁力分析

由麥克斯韋張量法計算定子鐵心上所受的徑向電磁力密度，近似表達式為：

式中：

Br—徑向氣隙磁密；

μ0—真空磁導率，且為4π×10-7H/m。

電機的氣隙磁密主要由電樞反應磁動勢在氣隙中產生的磁密Bsδ與轉子永磁磁動勢在氣隙中產生的磁密Brδ兩部分組成。因此式（1）可表示為[10]：

式中：

Frδ—永磁磁場氣隙磁動勢；

Fsδ—電樞反應磁動勢；

Λ—等效氣隙磁導；

p—極對數；

θ—轉子機械角度；

ω—角頻率；

Fmφ—定子電流產生的諧波磁動勢幅值；

μ—轉子磁場諧波次數，且有μ=2r+1，r=0,1,2,3··；

ν—電樞反應磁場諧波次數，且有ν=6 k1+1，k1=0,±1,±2···；

νs—定子繞組通入三相對稱電流諧波次數，大且有νs=6 ks+1，ks=0,±1,±2···；

φ—磁動勢相角。

將式（2）～（4）代入到式（1）可得到其展開表達式，且有階次分別為(μ±ν)p 、(μ±ν) p±Z 和(μ±ν) p±2Z ，頻率為(μ±1) f1，其中Z為定子槽數，f1為電機基波電頻率。

一般隨著力波階數的增大，對應階數的固有頻率也會增大，而振幅卻以更快的速度減小，所以只有低空間階次的力波才會引起振動。本文所分析的電機主要空間階次電磁力波表如表2所示。圖2給出了額定工況時電機的電磁力密度時空二維傅里葉分解圖。由表2和圖2的分析結果可知，額定工況時電磁力的主要空間階次是0階和8階，其中，空間階次為0的電磁力對振動噪聲影響最大，尤其是定子一階齒諧波與轉子磁場諧波相互作用產生的階次，需要重點關注。

圖2 額定工況電磁力密度時空分解

表2 電磁力主要空間階次

2 電磁噪聲優化

為降低電機的振動噪聲，本文采用在轉子表面開圓弧形輔助槽的方法，增大氣隙磁阻，減小電機的等效氣隙磁導，同時也改變氣隙磁密的諧波成分，最終降低電機電磁力密度幅值。具體方案如圖3所示。

圖3 電機轉子優化方案示意圖

在轉子外圓開兩個對稱的圓弧形輔助槽，通過對比輔助槽不同位置以及槽面積的大小，當兩輔助槽的圓弧中點所對應的圓心角在20 °時所關注的特定階次電磁力密度下降較為明顯。

2.1 電機氣隙磁場及電磁力仿真分析

基于Maxwell有限元軟件對電機優化前后額定轉速時的氣隙磁場進行分析，氣隙磁密波形及諧波分析如圖4所示。

圖4 氣隙磁密波形及各次諧波對比

由圖4可知，開輔助槽后主要降低了氣隙磁密的5次、7次、11次和13次諧波含量，而基波幾乎保持不變。

基于電機外特性曲線上的工作點，在Maxwell中計算電機不同轉速下的電磁力。圖5為仿真后處理得到的優化前后空間0階不同時間階次電磁力密度值隨轉速變化的對比圖，由于48階和24階時間階次電磁力密度值較大，為重點關注階次，其他階次電磁力密度數值較小，并未一一列出。

0階空間階次，48階頻率階次的電磁力密度是由定子11次、13次諧波與轉子11次、13次諧波相互作用產生的，其中定子11次和13次諧波是一階齒諧波。由圖5可以看出，優化后48階電磁力密度在全轉速范圍前半段約下降了70 %，在全轉速范圍后半段電磁力密度下降的同時，也改變了其隨轉速變化的趨勢。優化后24階電磁力密度有所增加，但在全轉速工況內對電磁噪聲的主要影響階次仍然是48階。

圖5 空間0階電磁力密度隨轉速變化

2.2 振動噪聲分析

基于workbench平臺，建立電機定子的三維模型，進行振動噪聲仿真分析。在仿真計算結果的基礎上，用后處理軟件程序進行數據后處理，提取得到不同階次等效輻射聲功率級，并轉換為A計權等效輻射聲功率級。圖6和圖7分別為優化前后特定階次等效聲功率級對比和總等效聲功率級對比。

圖6 優化前后48階和24階等效聲功率級對比

圖7 優化前后總等效聲功率級對比

由圖可知，在全轉速范圍內，優化后主要降低了48階噪聲，從總等效聲功率級對比圖可知，優化前后峰值噪聲值由95.74 dB降低到89.86 dB，共降低了約6 dB，優化效果較為明顯。

3 結論

本文以48槽8極內置式永磁同步電機為研究對象，給出了其電磁力波解析表達式，分析了可能造成電機電磁噪聲的電磁力密度的主要影響階次，采用轉子開輔助槽的方法來削弱電磁噪聲，基于Workbench平臺進行振動噪聲有限元仿真分析，結果表明：優化后降低了氣隙磁場諧波，在全轉速范圍內，優化后主要削弱了0階空間階次，頻率48階電磁力密度，峰值電磁噪聲值由95.74 dB降低到89.86 dB，共降低了約6 dB，該方法可以有效地削弱電機的電磁噪聲。