車用異步電機的噪聲分析與噪聲控制綜述

閆新健

摘要：異步電機是電動汽車驅動電機的主要類型之一，在新能源汽車發展中，電機得到了更多的關注，電機所產生噪聲在汽車使用過程中有著越來越重要的影響。本文從車用異步電動機的應用現狀及發展入手，總結國內外對于車用異步電機噪聲研究，熟知車用異步電動機的組成及噪聲產生機理，了解當前情況下針對降低車用異步電機噪聲的研究現狀。

關鍵詞：異步電機;噪聲;控制;降低

中圖分類號：TM301? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0090-02

0? 引言

電機作為設備的驅動力的供給單元，廣泛應用于農業、商業、工業等領域。尤其是在新能源汽車蓬勃發展以來，車用電機的應用越來越廣泛并且受到重視。由于當今人們對駕駛乘坐舒適性的追求，對于汽車使用過程的品質愈來愈重視，如何進一步降低電機的噪聲和振動是一個很有意義的研究方向。電機的噪聲水平和振動已是評定電機質量的重要指標之一，異常的振動不僅是引起噪聲的主要原因，也會進一步的影響電機的壽命，影響汽車的使用壽命。

1? 車用異步電機的噪聲研究

1.1 對于降低車用異步電機的電磁噪聲研究? 通過研究異步電機的電磁噪聲產生的原因，采用仿真模型，甚至使用實際電機進行數據采集并加以分析，通過這些方法來降低電磁噪聲。

有研究者認為異步電機電磁噪聲產生電磁噪聲的主要原因是因為氣隙磁場諧波的存在，所以在2009年鄔連學、李興權、孫曉燕等人利用針對諧波產生的途徑，了解到電磁噪聲主要由定轉子諧波磁場相互作用而產生隨時間和空間變化的電磁力波，使定子產生高倍數電源頻率的振動而引起的。對其進行分析，在設計時采取相應的控制辦法。例如：適當增大氣隙;采用短距繞組消弱諧波電;轉子進行斜槽處理;降低電機定子表面的動態振動等措施，來在電機設計指出對電磁噪聲進行減弱并且通過實驗驗證了提出的措施[1]。

混合動力汽車（HEV）中為了減小驅動單元，要求減小電動機尺寸并增大最大扭矩。為了這些目的，最近已經普遍使用了施加永磁體的電動機。并且，根據混合動力電動汽車的輸出功率額定值，電樞電路中采用了并聯電路。但是由于電動汽車（EV）或HEV的電動機驅動系統必須在高達1：5的大變速范圍內運行，因此可能會引起電動機噪聲和振動。2011年Arata、Mochizuki、Araki等人分析了噪聲模式的特征并考慮了其產生的主要原因。通過進行模擬測試確認主要原因，提出了改變電機線圈卷繞方式的措施[2]。

2015年王荀、邱阿瑞依據鼠籠式異步電動機電磁噪聲產生的機理，從電磁力、機械振動和聲輻射特性三個方面進行仿真得到電磁噪聲。

本文對鼠籠異步電動機電磁噪聲的仿真分為三步，首先利用電壓作為輸入的場路耦合時步有限元模型計算磁場、徑向電磁力和電流;之后利用三維機械有限元模型算出徑向電磁力激勵下的定子振動特性;最終利用聲學邊界元模型計算電機的輻射聲場。將電磁噪聲的試驗測量結果和計算結果進行了比較，研究得到基于機械有限元模型研究定子振動模態以及在電磁力激勵下的振動響應。試驗測量結果驗證了電磁噪聲仿真計算的有效性。基于該文電磁噪聲仿真方法可在設計階段對電磁噪聲進行定量預估，有助于低噪聲電動機的設計研發[3]。

2016年禹立華認識到研究電機電磁噪聲就必須要把電磁噪聲從疊加的噪聲里分離，應用于驗證電磁噪聲理論計算的可靠性。

采集電機噪聲后，通過一系列方法對電磁噪聲的分離，然后對電磁噪聲及對應主頻率數據采集與分析后。此后根據聲學、電磁、振動等理論，開發電磁噪聲計算分析軟件，并且進行可靠度驗證。最后在電磁力波計算方法驗證可靠的前提下，對一系列高壓異步電動機方案進行改良，算出電磁噪聲最佳方案;針對改進的系列電機試制后重新做噪聲頻譜試驗并分離出電磁噪聲及其主要頻率，進而對比分析改進電磁噪聲的變化以及為了驗證電磁力波計算方法的可靠性[4]。

通過仿真方法研究電磁噪聲，2017年鄭江、代穎、石堅等人為了分析車用異步電機的電磁噪聲問題。利用多物理場有限元仿真與試驗結合的方法進行研究，首先對一臺樣機進行噪聲測試，通過分析一臺電動汽車牽引用異步電機空載時噪聲大的原因，來定位噪聲的主要來源。利用多物理場有限元分析其成因，并且基乎Awys Vrorbcnch多物理場仿真分析平臺建立樣機的電磁一結構一聲場仿真模型，通過仿真和試驗對比，驗證仿真的正確性。然后分析不同槽配合方案的電磁力波特性，通過選取對應的槽配合來抑制電磁噪聲。最后通過試驗測試和多物理場仿真證明方法的正確性[5]。

電機產生的噪聲水平是權衡電機質量的一項重要指標，如何有效降低電機噪聲是電機設計的關鍵問題，2017年孫小剛、劉碩、馮德洋等人針對異步電機噪聲中的電磁噪聲問題展開分析，并通過實際電機的驗證分析的正確性。首先，通過對異步電機中的各種徑向電磁力分析，提出電磁噪聲產生的主要原因是齒諧波產生的徑向電磁力，并且結合經典振動力學對不同力波次數的激振源給出了具體分析;最后，為了證明理論的正確性，并給出可有效降低電磁噪聲的相關方法，作者等人利用實際電機進行了驗證，并取得很好的成果[6]。

2019年黃闖、代穎、羅建等人以額定功率40kW的新能源汽車異步電機牽引系統為例，基于Matlab和Ansys/Maxwell軟件平臺，以系統角度出發，分析車用電機與驅動控制器系統的電磁振動與噪聲。通過仿真電機車載固定模式下電機結構的模態頻率，分析安裝固定對電機結構模態頻率的影響。分析變頻器開關頻率對電機牽引系統電磁噪聲的影響，通過仿真對比指出合理的開關頻率，并通過實驗驗證理論分析的正確性[7]。

通過以上方法，很多研究者都進行了降低異步電機噪聲降低措施的研究，并且取得了很好的結果。

1.2 利用電機設計要點進行降低噪聲研究

在電機設計的源頭進行改進，以此降低異步電機的噪聲，是一個很好的研究方向。

異步電機高噪聲容易降低設備壽命，造成環境污染。2012年尚榮艷、彭長青、方瑞明等人分析異步電機三種噪聲的產生原因，從電源、定轉子鐵心、軸承、繞組、通風、電刷與集電環及其它方面，詳細分析了低噪聲異步電機設計要點，全面地論述了異步電機設計時應該采用的降噪措施，該文章為電機研究者提供參考，具有重要的實踐意義[8]。

噪聲作為異步電動機性能高低的一個重要判別指標，尤其是對環境噪聲要求高的場所，更要注重噪聲的大小。在異步電動機的實際運行過程中，噪聲主要是由電磁、機械以及通風等因素共同決定的，其中電磁和通風條件是噪聲產生的主要原因，對噪聲的大小具有決定性的作用。為了降低異步電動機噪聲對周圍環境所造成的不良影響，就要對異步電動機噪聲產生的原因進行深入的分析研究，查明噪聲的原因，并采取有針對性的降噪措施，進而降低異步電動機在運行過程中的噪聲，減少噪聲污染，為用戶提供安靜的工作環境。研究異步電機的構造，各部分產生噪聲的原因，通過改進異步電機的構造降低異步電機的噪聲。

1.3 槽配合對車用異步電機噪聲影響

電磁噪聲時異步電機噪聲的主要成分，研究者們希望通過利用槽配合來實現異步電機的電磁噪聲減弱，在這一方面做出了大量的研究。

由于電機的電磁噪聲主要由電磁力作用引起電機機械的振動導致。極數多、轉速低的電機，電磁噪聲往往會顯得很突出。2014年賀玉民、史建萍、崔偉、趙東芝、吳若欣等人從理論分析槽配合對電磁力波的影響，并結合模態分析了電機電磁噪聲問題，并根據不同的槽配合制造不同的轉子驗證理論的正確性。試驗結果證明槽配合對電機電磁噪聲有很重要的影響，改變槽配合對處理電磁噪聲是有效方法[9]。

異步電機的電磁噪聲問題至今都是國內外各大電機制造公司面臨的難題，隨著高功率密度異步電機的出現，電磁噪聲問題的解決將會更加困難。

對于異步電機的槽配合的研究，可以很大程度降低電磁噪聲，也取得了很大的成果。

1.4 通風噪聲對車用異步電機噪聲的影響

電機的通風噪聲與電動機轉速密切相關，2014年馬大勇、孔逸明、張海波、黃海彬等人為了有效降低通風噪聲，對不同風扇的噪聲進行測定。首先進行了通風噪聲產生原因分析，此后考慮在無法進行通風流量測試狀態下，按照電機的溫升試驗來確定該風扇是否符合電機散熱要求的方案。通過樣機驗證，為改進電機結構和降低電機通風噪聲提供新的設計思路[10]。

2018年王力名、蘇國霞分別從聲源和傳播方向兩方面控制通風噪聲，研究降低高壓方箱異步電動機通風噪聲的方法。通過大量實驗數據表明，在溫升允許的情況下，采用優化風扇直徑及風扇葉結構的方法，降低通風噪聲的效果顯著。經過多次優化高壓方箱異步電動機的消音罩結構，分別采用在進風口及在出風口設置消音罩，兩種結構均可有效降低通風噪聲[11]。

異步電機通風噪聲很大程度上是由于電機的結果問題導致的，通過改進異步電機結構降低通風噪聲，可以有效地減弱電機噪聲。

2? 結論

綜上所述，現如今國內外針對異步電機噪聲研究主要的就是通過針對電磁噪聲、通風噪聲、槽配合、電機的設計進行的，他們也通過實驗證明研究的成果，并且針對成果提出了更多的期望。我們也期待更多更好的研究方法和試驗手段，使人們對電機噪聲振動的理解也不斷深入，取得更好的成果。

參考文獻：

[1]鄔連學，李興權，孫曉燕.異步電機電磁噪聲分析與控制[J].科技經濟，2009（03）：20-21.

[2]Arata， Mochizuki， Araki， et al. Decrease of asynchronous rotation-frequence noise and vibration caused by electromagnetic force inside the motor for a hybrid vehicle [C]// Europ ea Conference on Power Electronics & Applications. IEEE， 2011.

[3]王荀，邱阿瑞.鼠籠異步電動機電磁噪聲的仿真分析[J].微電機，2011，44（7）：22-26.

[4]禹利華.高壓異步電動機電磁噪聲研究[D].湖南：湘潭大學信息工程系，2016.

[5]鄭江，代穎，石堅.車用異步電機的電磁噪聲分析與抑制[J].電機與控制應用，2017，44（6）：74-78.

[6]孫小剛，劉碩，馮德洋.異步電機電磁噪聲分析及驗證[J].科學家，2017（5）：70.

[7]黃闖，代穎，羅建.新能源汽車異步電機驅動系統的電磁振動與噪聲分析[J].工業控制計算機，2019，32（05）：164-165，168.

[8]尚榮艷，彭長青，方瑞明.低噪聲異步電機設計要點綜述[J].防爆電機，2012（05）：8-13.

[9]賀玉民，史建萍，崔偉，等.槽配合對異步電機電磁噪聲的影響分析[J].電機與控制應用，2014（4）：34-36.

[10]馬大勇，孔逸明，張海波，等.三相異步電動機由50Hz改用60Hz電源時的噪聲探討[J].電機與控制應用，2014（5）：62-64.

[11]王立名，蘇國霞.降低異步電動機通風噪聲的方法研究[J].防爆電機，2018，53（4）.