电动汽车永磁电机产生振动的原因分析

李自强 张凤营 冯丽佳

(1.唐山职业技术学院，河北 唐山 063000；2.唐山松下产业机器有限公司，河北 唐山 063000)

1 电动汽车永磁电机产生振动的分类

永磁电机产生振动主要体现在空气动力不足、机械振动和电磁振动3个方向，其中空气动力产生振动主要是降温风扇的作用或者电机自身转速不高的情况下产生，其对电动汽车的电机振动产生造成的影响不大；转子自身偏心、轴承对中性差和电刷的安装不对中等安装过程产生的电机振动称为机械振动，机械振动主要可通过提高转子的加工精度，改善轴承和转子安装工艺水平进行预防和调节；电动汽车永磁电机振动主要来源是电磁振动，其产生原因是电机定转子间的电磁力作用产生，电机的电磁力不仅可以产生旋转的力矩，同时能够引起定子和转子变形，产生的振动影响力很大，会破坏电机的正常运行，甚至产生较大破坏力，对周围环境造成严重的威胁[1]。

2 电磁力产生振动的原因

电动汽车永磁电机电磁力的产生由永磁体的磁场对定子铁芯和转子的作用，电机的电磁力主要受永磁体磁性、电枢绕组及气隙磁密等影响，永磁体、电枢绕组以及电枢绕组和永磁体之间产生的气隙磁场相互作用产生多频和多维空间的电磁力谐波[2，3]。径向不平衡电磁力、磁阻和互感转矩与齿槽转矩波动是电动汽车永磁电机电磁振动主要影响因素。文献[4，5]对永磁电机径向不平衡电磁力产生电磁振动进行了研究分析，建立了振动方程进行解析解分析和数值计算分析，分析电磁参数对永磁电机振动的影响，其中文献[5]分析了3次超谐振动对电机转子的影响。磁阻和互感转矩波动频率和齿槽转矩的波动对永磁电机的不平衡电磁力也有较大的影响，文献[6]通过分别对内嵌式和表面贴式的极槽永磁电机进行研究，得出磁阻和互感转矩与齿槽转矩的解析方程，分析了两种方式电机振动的情况。电机的电流谐波对其电磁力的产生起绝对性的作用，因此永磁电机的电磁力和电机极数与齿槽的配合有着直接的关系，当极数和齿槽出现误差时，电机转子会产生较大的不平衡力。此外在电机的控制时，由于操作不当或者电机控制电路设计不合理也会对电磁力有影响引起电机的振动。

3 永磁电机定转子在电磁力作用下的振动分析

永磁电机的定子、转子在电磁力作用下会产生振动，其中定子的振动模型多为将定子理想为环型或壳型结构，通过数值计算或者有限元分析电磁力对定子系统的振动特性，文献[7，8]分别是将定子看作环型结构和壳型结构，通过分析非线性的解析法对电磁力作用下的定子系统进行解析，并分析电磁参数(励磁电压、励磁电流、励磁电感等参数)及定子结构参数(定子铁芯长度、材质等参数)对系统的振动影响。定子的振动往往是一个机电耦合系统，其作用的存在是相互影响和制约的。在电机定子系统的设计和调试时，充分考虑影响其振动的影响因素，避免定子的振动引起电机的振动。

在对永磁电机转子系统在电磁力作用下会产生振动分析时，专家学者通常将转子看作绝对刚性的简支梁结构，通过对该模型进行建模分析电磁力对转子系统的振动影响，文献[5]建立多频激励作用下的电机转子系统的振动方程，利用平均法对振动方程进行解析，并通过数值计算分析转子结构参数、电磁参数对系统共振的影响。文献[9]针对文献[5]所建立的多频激励作用的电机转子系统的非线性振动方程，分析系统在3次超谐激励作用下的振动情况，通过对比分析：电磁力的影响对转子系统的振动影响较大，其中气隙磁密改变对电机转子系统共振区间影响不大，但随着气隙磁密的增加，转子的振动幅值会降低；分析3次超谐共振时定子的铁芯和转子的结构尺寸对转子系统振动幅值影响较大，电磁参数影响较小；在主共振系统分析时，其结论和3次超谐共振大致相同。电磁力作用下电动汽车永磁电机转子系统的研究多是通过数值分析得到近似解进行数值分析，得到结论多是和电磁参数对转子系统的振动影响。因此，电磁力对永磁电机转子系统的共振影响和气隙磁密有着重要关联。

4 结语

电动汽车的永磁电机振动产生主要来源于空气动力不足、机械振动和电磁振动3个方向，着重分析永磁电机定转子在电磁力作用下的振动情况，电磁力的产生是永磁电机振动的主要原因，电动汽车永磁电机电磁力的产生由永磁体的磁场对定子铁芯和转子的作用，电机的电磁力主要受永磁体磁性、电枢绕组及气隙磁密等影响，永磁体、电枢绕组以及电枢绕组和永磁体之间产生的气隙磁场相互作用产生多频和多维空间的电磁力谐波。电机振动的有效防御可以提高电动汽车的安全性能，对永磁电机振动的研究结果在电机的设计、加工制造及装配方面有重要的指导意义。