永磁同步电机电磁振动仿真及优化

李有通 罗 钦 李沁逸 刘嘉林

（广安职业技术学院，四川 广安638000）

随着能源问题和环境污染问题的日益严重，新能源汽车越发受到各国的高度关注，驱动电机作为电动汽车核心部件，其性能优劣直接影响电动汽车的品质。永磁同步电机凭借其具有优越的调速性能、高效率、恒转矩区长等优点，在电动汽车行业被选用得最多[1]。目前消费者对汽车的舒适性要求越来越高，而电动汽车运行时的主要噪音来自于驱动电机，严重影响了行驶过程中的乘坐舒适性。

本文以某电动汽车永磁同步电机为研究对象，从解决实际项目开发中遇到的问题为出发点，对该电机的电磁振动噪声进行仿真研究与优化改进。首先对永磁同步电机初始电磁方案进行电磁结构振动噪声仿真分析，并着重对电机径向磁密与径向电磁力展开分析。然后针对初始方案仿真分析结果对电机电磁方案进行优化改进。最后对比初始方案与优化改进方案的仿真结果，证实了优化方案的有效性。

1 电磁激励分析

对于电动汽车电机而言，电机的电磁振动是导致电磁噪声进而引发电机噪声的根本原因。永磁同步电机的定子和转子之间有较强的电磁吸引力，其振动主要是由电磁吸引力的径向分量引起的，径向分量会导致定子变形，所以当电机的转子转动时，会直接导致定子的机械振动[2]。因此，在对永磁同步电机电磁振动振动噪声进行分析前，应该先对电磁吸引力进行研究。

永磁同步电机的电磁吸引力切向分量产生电磁转矩，对电机振动的影响较小，故只考虑径向分量对电机振动的影响，根据麦克斯韦应力张量法，对作用在电机定子齿面单位面积上的径向电磁力的瞬时值为[3]：

其中，fn（θ，t）为单位面积瞬时电磁力；b（θ，t）为电机气隙磁密，t 为时间，θ 为空间角度；μ0为真空磁导率。

从上式可看出分析电磁力关键在于对其时空二维进行谐波分析，电机电磁力谐波主要由转子磁场自身、定子绕组电枢反应、以及定转子磁场谐波相互作用产生。对于整数槽永磁同步电机，其电磁噪声主要由电机定转子高次谐波磁场相互耦合作用所致[4]。

其中，γ 为定子磁场谐波次数，μ 为转子磁场谐波次数，p为电机极对数。

因此，电机定转子谐波磁场相互作用所产生的径向电磁力波次数为：

式中r 电机径向电磁力波次数。整数槽永磁同步电机中每块永磁体所对应的定子齿数全部相同，电磁力波次数只能为0 次或电机极对数的整数倍[5]。本文所采用研究的永磁同步电机为48 槽8 极，是整数槽，所以该电机的径向电磁吸引力波的空间阶次为0、8 次等。

2 有限元仿真分析

2.1 电机电磁仿真模型

永磁同步电机电磁仿真模型如图1 所示。其主要参数如表1所示。

表1 电机主要参数

图1 电机电磁仿真模型

2.2 径向电磁力仿真分析

选定某一分析工况，设置好时间步长、计算时间、转速等参数后，在电磁仿真软件中进行电机电磁仿真分析。得到该工况下电机气隙空间中某点径向电磁力波随时间的变化如图2 所示。

图2 空间某点电磁力波随时间分布

由图2 可知，永磁同步电机电磁力波的径向分量的空间阶次等于电机定子模态阶次，同时与定子相对应阶次的模态频率相近时，此时电机产生共振。对上文中空间某点随时间分布的电磁力波利用二维傅里叶变换进行时空分解，得到该径向电磁力波的谐波随频率分布，如图3 所示。

图3 空间某点电磁力波随频率分布

从上图可看出该工况下电机的径向电磁力波谐波幅值最大处对应频率为该工况下激励电流频率的两倍。在该工况下，电机电磁力谐波径向分量上的频率为电机转频的0、8、16 倍等，是电机转频极数的整数倍。电机电磁力径向分量上的空间阶次越低，电机在径向上的变形就越大。电机电磁力的径向分量作用在定子上所产生的振动量与空间阶次的四次方成反比[3]。所以，只研究空间低阶电磁力波在径向分量上对振动噪声的影响。

2.3 电磁结构振动耦合仿真分析

在电磁结构耦合仿真软件中建立电机定子组件有限元模型，采用模态叠加法耦合电机电磁仿真所得径向电磁力与电机定子组件结构模型，计算电机定子组件外表面的振动响应。定子组件的材料参数如表2 所示。

表2 定子组件材料参数

仿真计算所得电机定子组件的零阶模态频率为5235Hz，对电机定子组件在模态分析的基础上耦合径向电磁力波结果做谐响应分析，得到该工况下电机定子组件表面的等效声功率如图4所示。

图4 等效声功率

从图4 中可看出该工况下电机定子组件表面的等效声功率值整体偏大，最大值48 阶对应点达到了90.14dB，8 阶及其倍频16、24 阶等阶次对应点的幅值也较大，显然无法满足实际工程项目需求。

3 优化改进分析

针对上文所得电机定子组件表面电磁振动等效声功率幅值偏大的问题，从减小其径向电磁力波幅值的角度，减小电磁振动噪声响应激励以减小振动噪声。原电机电磁方案仿真得到该工况下某一时刻电机磁力线分布如图5 所示。

图5 原方案某时刻磁力线分布图

可看出该电机磁路设计还有很大的优化空间，可以在电机转子某些磁力线突变的位置上开孔，以隔断磁力线，优化磁路，减小磁场突变，使电机定子电枢谐波磁场与转子谐波磁场相互抑制，减小磁场脉动，从而实现减小电机电磁径向力波，降低电机径向电磁结构振动。针对原方案电机转子拓扑结构，在转子永磁体靠近电机气隙角处开隔磁孔优化电机磁路，具体优化方案如图6 所示。

图6 优化方案模型

运用新的电机转子拓扑优化方案进行电磁结构振动耦合仿真分析，可得新方案的电机定子组件表面的等效声功率与原方案等效声功率值对比如图7 所示。

可看出新方案电机组件表面等效声功率值整体较原方案降低明显。该工况下电机8、48 阶噪声对应的频率点266Hz、1600Hz处等效声功率值降低了10dB 左右，效果明显。从结果可以看出，在电机转子上某些关键位置开隔磁孔可以有效抑制电机某些特定阶次对应的谐波含量，能够降低电机相关阶次的电磁振动噪声值。

4 结论

本文着重分析了永磁同步电机电磁激励原理，建立了某永磁同步电机的二维电磁仿真模型，进行仿真分析得到电机径向电磁力波结果，并对径向电磁力波结果做二维傅里叶变换分解分析。然后结合电机电磁仿真结果与定子组件结构模型进行电磁结构振动耦合仿真，得到定子组件表面振动响应。最后针对原方案电磁仿真模型定子结构做拓扑优化，并进行电磁结构振动耦合仿真，得到响应值，与原方案响应值进行对比分析。结果表明，在永磁同步电机转子某些关键位置开隔磁孔可以有效地降低电机特定阶次的电磁振动噪声值。