风冷永磁同步电机噪声分析与优化

王淑旺 马志林 刘健

（合肥工业大学，合肥 230009）

主题词：永磁同步电机 径向电磁力 模态分析 固有频率 壳体结构

1 前言

永磁同步电机作为新能源汽车的驱动电机，其振动与噪声对整车的NVH性能有重要影响。电动机的噪声主要有电磁噪声、机械噪声和空气噪声等。电磁力是引起电机机械振动和产生电磁噪声的主要根源。电机定、转子之间产生电磁力，电磁力的切向分量产生电磁转矩，径向分量引起机械变形，产生机械噪声。电机结构复杂，刚度低，一旦电磁力的频率与电机的固有频率接近产生共振，危害较大。电机的振动不仅影响电机自身的运行安全，而且还会影响周边的结构噪声和环境振动[1]。因此，在电机设计过程中，不仅需要考虑电机性能，也要考虑电机的振动和噪声特性。

目前，针对电机电磁力和电磁噪声优化方法的研究已有很多。Islam R等[2-3]利用有限元软件对不同齿槽配合的分数槽电机仿真获得了各自负载和空载下的电磁力，并建立了定子齿所受电磁力的解析模型；Chen等[4]通过分析永磁同步电机定子各齿在不同转子位置时所受的电磁力，给出了电磁力的模数和频率，并指出模数较低的电磁力的齿槽配合引起的振动较大；左曙光等[5]通过节点转移的方法考虑了电磁力的空间分布，并考虑硅钢片和绕组的叠压效应建立了精确的定子模型和永磁同步电机电磁振动的预测模型。现有研究通常采用二维有限元方法分析电机的电磁特性，研究电磁力的低阶模数所导致的电磁噪声[6-8]。永磁同步电机噪声优化的方法主要包括改变电机结构和优化电流两种。Lee等[9]针对一种内嵌式永磁同步电机，通过优化电机定、转子机械结构增加定子刚度和减小气隙磁场谐波，降低电机的振动和噪声；孙剑波等[10]研究了开关磁阻电机的定子模态，发现改变散热筋的结构对电机噪声有很大影响；杨浩东等[11]分析了永磁同步电机电磁力的频率和模数，利用补偿电流的方法降低了电机的振动和噪声。

本文以风冷永磁同步电机为研究对象，利用有限元软件仿真分析其径向电磁力特性，通过试验获得其定子和整机固有模态频率，分析电机噪声来源，提出一种通过改进电机结构降低噪声的方法，并进行了试验验证。

2 电机电磁力分析

2.1 径向电磁力数值分析

在电机内部，主磁通大致沿径向路径进入气隙，在定、转子间产生径向电磁力，电磁力作用在定子上，引起电机结构变形，从而产生振动和电磁噪声[12]。相对于径向电磁力，切向电磁力对电机噪声影响较小，为了简化计算，通常忽略不计。根据麦克斯韦应力张量法，单位面积径向电磁力的瞬时值Pn为：

式中，μ0=4π×10-7H/m为真空磁导率；t为时间；α为空间角度；bn(t,α)为气隙磁密。

磁饱和的情况较为复杂，一般将其忽略，则气隙磁密bn(t,α)可表示为[13]：

式中，f(t,α)为气隙磁势；λ(t,α)为磁导。

对于内置式永磁同步电机，定子开槽且转子表面光滑，气隙磁导可表示为：

式中，Λ0为气隙平均磁导幅值；k为1,2,3,…；Λk为气隙k次谐波磁导幅值；Z1为定子槽数。

空间r阶径向电磁力波的m次时间谐波为：

式中，r为空间电磁力波的阶次；pm为空间电磁力波的幅值；w1为角速度；θm为相位。

合成空间r阶径向电磁力波的大小为[7]：

式中，am(t)、bm(t)为系数，取值随电机转速改变。

由式（5）可知，除0阶以外，其余r阶空间电磁力波都可看作两个正交空间波形cos(rα)和sin(rα)的叠加。

对于整数槽永磁同步电机而言，定、转子谐波磁场相互作用，而产生的径向电磁力波引起的振动是电机电磁噪声的主要来源[13]。定子绕组磁场谐波次数为：

式中，p为极对数。

转子谐波磁场极对数为：

因此，定、转子谐波磁场相互作用的径向电磁力波次数可表示为：

由式（8）可知，整数槽永磁同步电机的径向电磁力波次数可能为0阶或电机极数的整数倍。经以上分析，电机的空间电磁力波阶数存在0阶和8阶。同样尺寸下，径向电磁力波的模数越小，电机发生变形时，其结构上相邻两节点之间的距离就越远，引起的振动越大，因此低阶径向电磁力波是电机振动和噪声的主要来源，8阶以上的电磁力影响较小，可以忽略不计[14]。所以0阶和8阶电磁力是引起电机振动和噪声的主要原因。

2.2 电机电磁力仿真分析

作为研究对象的18 kW风冷永磁同步电机的结构如图1所示，其参数如表1所示。

表1 电机参数

表贴式永磁同步电机气隙磁密分布均匀，其电磁力的解析法计算可参考文献[15]～文献[18]。而内置式永磁同步电机气隙磁密较复杂，电磁力采用解析法计算比较困难，所以通常利用有限元法计算获得。在有限元软件中设置仿真参数如表2所示，建立电机的二维有限元电磁仿真模型，如图2所示。

表2 仿真设置参数

图2 电机有限元模型

时步有限元法是永磁同步电机空载特性仿真分析的常用方法，转子以固定步长旋转时，可得到不同时刻电磁力在定子内径圆周上的分布情况。对所得电磁力进行二维快速傅里叶变换，可得到电磁力在时间和空间上的分布情况。电机转子15°位置沿定子内径圆周上的电磁力分布如图3所示，电磁力谐波分析结果如图4所示。

图3 电机径向电磁力密度

图4 电机径向电磁力谐波分析

由图3可知，电磁力在定子内径圆周上呈周期性变化。电磁力通过周期性地作用于定子使其发生变形而产生电磁噪声。由图4可知，电机除存在0阶径向电磁力波外，还存在8阶电磁力，仿真分析结果与数值分析结果一致。因此，需要通过削弱0阶和8阶电磁力对电机的影响降低电机噪声。

3 改进前电机噪声分析

3.1 电机噪声测试分析

利用声学测量设备和分析软件对改进前的永磁同步电机进行噪声测试，分析其噪声阶次。测试和分析结果如图5、图6所示。

图5 电机匀加速近场噪声自功率谱

图6 电机近场噪声

由图5可以看出，电机噪声在约500 Hz处发生突变。由图6可知，转速达到4 000 r/min时，电机总体噪声发生突变，噪声达到最高值，而在1 350 r/min和2 000 r/min附近存在两个次突变点。500 Hz约为永磁同步电机机械旋转频率的8倍，而提取出的8阶电磁噪声曲线在4 000 r/min处的变化情况与上述情况相符。8阶噪声水平决定了电机总体噪声水平，所以需要通过改善8阶噪声改善电机整体噪声水平。

3.2 电机模态测试分析

永磁同步电机的结构模态分析是判定电机是否发生共振的重要手段。电机除受到电磁力的受迫振动外，还有自身的自由振动。通过试验获得定子和整机的固有模态阶次和频率如表3和表4所示。截取定子在565 Hz的2阶模态振型和整机在550 Hz的1阶模态振型如图7和图8所示。

通常，电机低阶固有模态更易被外界激励引起共振，电机的振动和噪声主要通过定子和壳体向外辐射。由表3和表4可知，定子和整机的低阶固有模态频率十分接近，已知电机可能发生的共振频率在500 Hz附近，因此初步确定电机8阶电磁力的作用导致定子发生共振，使其变形更剧烈，造成噪声突变，增大了整体电磁噪声水平。0阶电磁力的频率通常较高，一般不会对电机低阶模态产生影响，但会对整个电机噪声水平有所影响。

表3 定子模态振型

表4 整机模态振型

图7 定子2阶模态振型

图8 整机1阶模态振型

4 优化方案

4.1 结构优化

永磁同步电机电磁振动主要由电机机械结构和控制策略两方面的因素引起，本文仅研究从电机机械结构上削弱电机的振动，主要考虑永磁电机的齿槽转矩和定、转子永磁体之间相互作用的径向力。削弱齿槽转矩的方法有很多，包括采用分数槽配合、斜槽或斜极、优化极弧系数和增加辅助槽等[18]，但都可能改变电机的电磁方案，影响电机的其他性能表现。

需要在保证单机电磁方案不改变的条件下提高定子结构的刚度，以改变其固有特性。基于以上分析，本文通过改善风冷永磁同步电机壳体结构降低电机的噪声水平。在易被电磁力激起的电机壳体处设置宽度为3 mm的固定结构，既可以抑制电机振幅较大位置处的振动，也可以通过改变定子的低阶固有频率削弱8阶电磁力对电机结构的影响。改进后的壳体结构如图9和图10所示。

4.2 热仿真分析

改变永磁同步电机的壳体结构会影响电机的散热效果，需进一步对电机进行热仿真分析。电机在额定功率为18 kW，峰值转速为6 000 r/min的工况下，设置电机的环境温度为26℃，冷却液的流速为0.58 m/s，改进前、后仿真结果如图11所示。

图9 固定结构位置点示意

图10 改进后电机壳体结构示意

图11 电机温升结果

从图11可知，改进前、后的电机温度最高分别为133.35℃和135.40℃，改进后的电机温升幅度较小，满足工作要求。

5 试验验证

利用上述改进方案加工了一款样机，并对样机分别进行模态测试和噪声测试，如图12和图13所示，测试结果如表5、表6和图14所示。

图12 改进后样机模态测试

图13 改进后样机噪声测试

表5 改进后定子模态振型

表6 改进后整机模态振型

图14 改进前、后电机噪声对比

由表5和表6可知，改进后的电机定子和整机低阶模态频率相较于改进前分别提高了27 Hz和21 Hz，频率相对较高的模态振型改进后其频率提高较多，模态移频后，低阶定子和整机模态频率与8阶电磁力波的频率差值增大，电磁力波引起的共振减弱，则电机的振动和噪声降低。

由图14可知：优化后电机噪声降低约11 dB(A)；同时，在1 350 r/min和2 000 r/min两个次突变点处电机噪声也分别有一定程度的降低，而在3 000～3 500 r/min之间的噪声也有较大幅度降低；优化后的电机噪声突变相对于优化前更加平缓。测试结果表明，采用本文提出的优化方法，电机噪声明显改善。

6 结束语

本文以某风冷永磁同步电机为研究对象，分析电机的径向电磁力，并进行噪声和模态测试，得到定子和整机的振型阶次和固有频率，分析电机产生噪声的主要根源，提出了一种通过改进电机壳体结构优化电机噪声水平的方法，并进行了试验验证，电机噪声得到了降低。综上，可得以下结论：

a.当电机电磁力的频率与电机定子固有频率接近时，电机可能发生共振，应尽量避免。

b.通过改进壳体结构改变电机的固有频率后，电机的噪声改善效果明显。