车用永磁同步电机振动噪声研究综述

王刚，王涛，穆宝茂

车用永磁同步电机振动噪声研究综述

王刚，王涛，穆宝茂

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

文章分别从电磁力波、电机结构模态、电机声辐射三个方面论述了国内外近年来车用永磁同步电机振动噪声的研究现状，总结了近年来车用永磁同步电机振动噪声研究领域的成果，为后续降低永磁同步电机及新能源汽车振动噪声提供了参考。

永磁同步电机；振动噪声；新能源

引言

近年来，随着新一轮的科技发展和产业变革，电动汽车市场也取得飞跃性增长。过去5年我国电动车市场的增速为平均每年107%，遥遥领先于增速为30%~40%的美国和欧洲主要国家市场[1]。随着新能源电动汽车产业逐渐发展，对电动汽车要求也不断提高，安静舒适的电动汽车也成为吸引消费者购买的一大重要因素。

由于电动汽车没有传统汽车发动机等部件，虽然整体噪声会有所下降，但在高频时缺少发动机噪声的掩蔽效果，导致电动汽车中的电机高频啸叫更加显著，令人难以接受，因此如何降低电机中产生的噪声也具有十分重要的意义。作为主流之一的永磁同步电机，其自身具有高功率、高可靠性、发热小等特点，也是作为目前电动汽车驱动电机的主要选择之一[2,3]。随着目前电动汽车驱动电机朝着大功率与大转矩的方向不断发展，随之而来整体噪声也会不断加大。因此如何在确保满足永磁同步电机功率与转矩的前提下，最大限度地降低电机的辐射噪声值变得具有十分重要的意义。

目前对于永磁同步电机振动噪声的研究也吸引了大批国内外学者。本文从电机电磁力波、电机结构模态和电机辐射噪声三个方面对当前的研究现状进行了总结阐述。

1 电机电磁力波研究现状

电机振动噪声主要是由径向电磁力产生，目前主要研究方法为解析法与有限元法两种。解析法所得结果为解析表达式，能深入的分析电机的内在规律。有限元法精度有所提升，但会增大计算机的运行内存，对计算机的要求较高。对于解析计算法，英国学者 S.J.yang首次提出电机电磁力波的磁势乘以磁导的这一计算方法，并且电磁力波对电机辐射噪声的影响，尤其在电磁力的频率接近于电机定子的模态频率时，会由于共振引起十分大的噪声[4]。2013年，合肥工业大学陈秋名教授推导出变频供电的这种条件下，永磁同步电机的气隙磁场与电磁力波的表达式，并且对其中阶数低。幅值大的力波进行了分析[5]。

由于解析法未能考虑槽形变化以及电机饱和程度对磁场的影响，计算精度差。因此数值计算方法便得到广泛应用。近年来由于计算机软件的迅速发展，因此越来越多的学者采用计算机软件计算径向力。JL Besnerais 等人通过计算机进行电磁力有限元分析，提出了一种改变电机定子槽宽度的方法来降低电磁噪声[6]；沈阳工业大学的于慎波教授对永磁同步电动机的振动和噪声特性进行了深入的研究[7]，2006年沈阳工业大学的于慎波教授针对永磁同步电机进行了分析，得出了转子谐波对电磁力影响较大的结论[5]。2009年，山东大学张冉通过比较磁极偏心、开辅助槽等措施，合理地优化永磁电机在空载情况下的电磁力[8]。2010年，R Islam等人通过比较不同槽极配合的电机状态，对比分析了电机径向电磁力的频谱特征，通过仿真与试验得到出电机的振动噪声的分布，发现电机振动噪声主要来源为电磁力，并不是转矩波动[6]。2017年，同济大学的林福等人在考虑电流谐波的基础上，并与有限元软件直接计算的结果对比。通过该模型计算可以提高了计算速度与精度[4]。2018年，重庆理工大学的王波研究壳体变形对电机磁固耦合分析的影响，结果发现考虑定子变形前后，电机性能以及电磁力密度分布、幅值等均与未变形差别不大，因此在针对电机振动噪声仿真时，壳体变形的影响可以忽略不计[9]。

2 电机结构模态研究现状

电机的模态研究目前主要有两种研究方法：解析法与实验法。解析法主要分为单、双环型机电类比法，其计算方法具有简单、快速的特点，但精度不高，在一些电机结构比较复杂的情况，则很难精确计算。只能满足一般的工程计算要求[10]。随着有限元计算技术的发展，越来越多学者采用商业有限元软件来进行电机模态的计算。2003年，F. Ishibashi、K. Kamimoto等通过有限元方法对电机的模态进行了计算，并利用实验对有限元进行了验证。2011年，代颖、崔淑梅等研究了电机的定子总成、定子、整机等不同构件对电机模态的影响[8]。2012年，张范辉、左曙光等学者在对目前普遍等效绕组研究方法上，系统地比较了6种不同的定子绕组的等效处理方式，并且将仿真结果通过与实验对比，得到最符合实际模态情况的等效方式，并针对电机仿真模型进行优化处理[12]；2017年，李晓华、黄苏融等学者在考虑绕组端部的情况下进行模态仿真，利用该方法得到的结果与相较其他情况更为精确[10]。

3 电机声辐射研究现状

早期国外的学者研究电机的噪声主要通过解析法来进行计算。但随着研究水平的不断加深，解析法计算越来越难处理一些复杂的工程要求，其计算精度也难以保证的。并且随着有限元软件计算的水平不断进步，因此越来越多的人开始使用商业软件来进行电机的振动噪声计算。2011年，崔淑梅，于天达采用电磁学与声学仿真软件对永磁直流电机的噪声进行了分析[9]。2013～2014年，Islam M以及李晓华通过有限元软件对永磁同步电机的振动噪声进行了仿真，可以精确预测电机的振动噪声。2007 年，哈尔滨工业大学代颖对通过研究电机的模态与电磁力分布等，并对影响电机噪声主要阶次力波特征进行了降噪处理。2012年，上海交通大学的何鹤建立了电机电磁噪声的三维边界元模型。并通过在半消声室中的噪声试验结果对比，建立的边界元模型可以准确计算电机辐射噪声的幅值和分布[11]。

4 总结与展望

总体而言，对于永磁同步电机的研究，国内外学者仍以传统的思路和方法为主并辅以CAE技术，基于电流控制及电驱动力总成整体的角度的研究较少，刚起步不久，在今后的研究中将会是一个趋势。

[1] 曲荣海,秦川.电动汽车及其驱动电机发展现状与展望[J].南方电网技术,2016,10(3):82-86.

[2] 齐辉,李永辉,段建刚. 电机噪声的类别、分类方法以及防治措施的研究进展[J].微特电机,2007,(3):46-48.

[3] 王再宙,宋强,张承宁.电动汽车用电机噪声分析和降噪方法初探[J].微电机(伺服技术),2006,39(7):62-63.

[4] 舒波夫.电动机的噪声和振动[M].北京:机械工业出版社,1980:10- 25.

[5] Yang S J.Low-noise electrical motors[M].Oxford:Clarelldon Press, 2012.

[6] Zhu Z Q,Howe D.Instantaneous magnetic field distribution in brushl -ess permanentmagnet DC motors.II.Armature-reaction field[J].IEEE Transactions on Magnetics,1993, 29(1):136-142.

[7] 陈秋明,陈勇.永磁同步电动机电磁振动噪声机理研究[J].微特电机,2013,41(8):1-5.

[8] 于慎波.永磁同步电动机振动与噪声特性研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2006.

[9] R Islam,I Husain. Analytical Model for Predicting Noise and Vibra -tion in Permanent-Magnet Synchronous Motors[J].IEEE Transac -tions on Industry Applications,2010,46 (6) :2346-2354.

[10] 林福,左曙光,毛钰等.考虑电流谐波的永磁同步电机电磁振动噪声半解析模型[J].电工技术学报,2017,32(9):24-31.

[11] 王波.考虑壳体变形影响的电机磁固耦合振动分析[D].重庆:重庆理工大学,2018.

[12] 张范辉,左曙光,何吕昌,陈瑞峰.车用电机定子振动特性的影响因素分析及优化[J].微特电机,2012,40(9):23-26.

Review of Research on Vibration and Noise of Permanent Magnet Synchronous Motors for Vehicles

Wang Gang, Wang Tao, Mu Baomao

( Chang an University, School of Automobile, ShaanXi Xi’An 710064 )

This article discusses the research status of vibration and noise of automotive permanent magnet synchronous motors in recent years at home and abroad from three aspects of electromagnetic force wave, motor structural modal, and motor sound radiation, and summarizes the research fields of vibration and noise of automotive permanent magnet synchronous motors The results provide a reference for the subsequent reduction of vibration and noise of permanent magnet synchronous motors and new energy vehicles.

Permanent magnet synchronous motor; Vibration and noise; New energy

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.061

U469.72

A

1671-7988(2021)04-199-02

U469.72

A

1671-7988(2021)04-199-02

王刚，男，长安大学研究生，车辆工程专业，研究方向为车辆nvh技术。