基于轉子結構優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品的核心零部件之一，其產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。在風冷電機中，一般風扇的扇葉產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]通過優化轉子隔磁橋設計使得電機噪聲下降了23%，但降低了轉子強度；文獻[2]采用轉子斜極的方式優化齒諧波噪聲；文獻[3]通過改變電機的極槽數來達到優化噪聲，研究發現，電磁力最低力波階數越高越有利于NVH。所有的這些設計都是為降低電機氣隙的磁密波形畸變率來優化電機噪聲。在實際工作中，應用到的額定功率為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，研究如何設計轉子結構，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，在機殼表面布置振動傳感器，通過LMS設備采集數據。通過分析數據發現：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

定子結構模態分析。實測定子0階模態頻率為5730Hz，與48階振動噪聲峰值頻率5840Hz十分吻合，誤差在2%以內；基于上述結果，可判斷出48階徑向電磁力與定子0階模態耦合，導致了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生定子旋轉磁場，與轉子永磁磁場相互作用，在氣隙中會產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生電磁轉矩和轉矩脈動，徑向分量即徑向電磁力波，該力波作用在定子鐵心上，使得定子和機殼產生電磁振動并向外輻射噪聲，這是電機產生電磁噪聲的主要原因。

根據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率遠大于氣隙中空氣的磁導率，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子磁場和定子磁場相互作用產生的，其中轉子產生的磁勢諧波為：u=2m+1，其中m=0,1,2,3…定子產生的諧波為：v=6n+1，其中n=0,±1,,±2,±3…則二者相互作用產生的徑向電磁力波的次數為：n=(u±v)×p，其中p為極對數，徑向電磁力波對應的頻率為：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，當其與轉子的11/13次諧波相互作用時，二者空間極對數相等，合成后會產生0階電磁力，對應的激勵頻率為12×f1，其中0階電磁力對電機的振動噪聲影響最大。當電機旋轉速度為7300rpm時，11/13次諧波對應的0階電磁力激勵頻率為12×f1=12×7300×4/60=5840Hz，與定子0階模態5730Hz同頻且同型，會產生強烈的共振噪聲。

表1 電磁力波表

2.2 仿真分析

該永磁同步電機主要結構參數如下：轉子極數8、定子槽數48、相數3、額定功率70kW、繞組8層Hair_pin、最大工作轉速16000。在Maxwell中采用1/8模型，通過給定的7300rpm對應的電流及其電流角，在此基礎上對一個電周期時間內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階噪聲對應的12階次徑向電磁力。優化前，該永磁同步電機的轉子是沒有輔助槽的，本文計劃在轉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階噪聲對應的0階電磁力最小、為2190N/mm2，比優化前的5100N/mm2下降了57%；在選定開槽位置為34°的基礎上，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階噪聲對應的0階電磁力最小、為1800N/mm2，比優化前的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階噪聲對應的0階電磁力最小、為1800N/mm2，比優化前的5100N/mm2下降了64%。

表2 矩形槽結構參數及仿真結果

基于上述仿真結果，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。仿真出的優化前與優化后的輸出扭矩如圖2。通過對輸出的平均扭矩進行對比，優化前平均扭矩為193.7Nm，優化后平均扭矩為195.4Nm，可看出該方案對平均輸出扭矩影響不大。

圖2 優化前與優化后的輸出扭矩

2.3 實驗驗證

按照方案8進行轉子樣件加工，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對應的48階近場噪聲聲壓級入圖3。實驗結果表明，48階近場噪聲在7300rpm時存在峰值，但已降為85dBA，比優化前下降了5dBA。

圖3 200Nm對應的48階近場噪聲聲壓級

3 結語

本文基于永磁同步電機中一個典型的48階噪聲問題，首先結合臺架測試和模態測試結果，得出了導致噪聲峰值的根本原因：48階徑向電磁力與定子0階模態的耦合問題；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，優化了轉子表面開槽的結構，使對應的電磁力下降了64%，加工樣件并進行臺架測試后，實測數據下降了5dBA，取得了較大的改善；但在實際的工程項目中，轉子表面開輔助槽的大小及位置，還需從轉子強度的角度出發綜合考量。