车用异步电机噪声分析和噪声控制综述

吕晗珺，闵永军，徐晓美

（210037 江苏省 南京市 南京林业大学 汽车与交通工程学院）

0 引言

如何解决电动机的噪声问题始终是电机厂需要解决的主要问题。异步电机是汽车里的一种驱动电机，这种电机具有成本低、易弱磁、可靠性较高等优点，在大功率驱动场合的应用比较广泛。根据噪声产生的机理，异步电机的噪声可以分为电磁噪声、通风噪声和机械噪声三大类[1]。通风噪声一般是电机中风扇和转子产生的气流声被传播出来形成的噪声，而电磁噪声、机械噪声这2类噪声受电机中各结构的振动影响。机械噪声是由电动机的运转结构之间产生摩擦、碰撞以及共振等引起的，主要的噪声是由转子和轴承的噪声带来的。本文主要就异步电机的各类噪声形成的原因、噪声控制方法展开讨论和分析。

1 异步电机电磁噪声问题

1.1 电磁噪声产生的原因

电磁噪声主要由电机各部分的磁拉力引起。异步电机的定子和转子间存在一定的气隙，运行过程中电机铁心受到磁场的作用产生形成电磁振动的电磁力。电磁力的径向分量导致定子和转子发生变形，形成周期性的振动。电磁噪声的来源之一就是径向的电磁分力；而切向分力是与电磁转矩相对应的作用力矩，它导致齿根部发生弯曲，某些部位产生振动变形，是电磁噪声的另一来源[2]。

1.2 电磁噪声的抑制方法

目前，国内外研究异步电机的电磁噪声主要从电机斜槽、槽配合、绕组类型这几方面展开。

1.2.1 采用斜槽降低噪声

电机采用斜槽的目的是减小附加损耗，电机转子铁心采用斜槽设计有利于减小启动电流，可以削弱谐波的影响，从而减小电机产生的噪声值。

为了对比直槽和斜槽异步电机的噪声大小，一些学者通过试验的方法，将2 类电机在空载和负载的情况下产生的噪声值分别进行对比，结果表明，采用斜槽的电机噪声明显更小。谢颖[3]等不仅通过试验进行对比并且通过建立转子直槽和斜槽的三维模型，对模型进行瞬态动力学分析，并用傅里叶分解和频谱的方法计算了振动位移的频率和幅值，结果表明，采用斜槽后电磁力波幅值和振动位移的波动都减小；Sprangers[4]提出一种IMs（Induction motors）的半解析模型，预测了静磁场在气隙以及定子和转子槽内的分布，并验证双区域极槽更有利于提高电机性能，降低噪声。

斜槽的处理方式有多种，唐庆华[5]等针对三相异步电机提出了定子斜槽、绕线转子斜槽和铸铝转子斜槽3 种方式，并分析了3 种斜槽方式的实现方式。定子斜槽由于加工工艺的限制必须在定子机座上进行加工，并且要注意防止加工时出现破裂的现象，所以定子斜槽的应用并不广泛；而对于转子斜槽来说，铸铝转子斜槽的实现更为简单。斜槽的结构有很多种，不同的电机可以采用合适的斜槽方式来达到最大限度的降噪目的。

斜槽距的设计对电机噪声也会产生影响。工程上转子斜槽一般倾斜一个齿距，但不够精确，针对这个问题，文献[6]提到了一种通过定、转子槽数和极对数来计算最合适斜槽距的方法。单斜槽的结构简单且可以降低噪声，但有时出现气隙偏心问题时，仍不能满足降噪的需求。鲍晓华[7]等提出一种双斜槽结构，并用多层分段的模型对比了采用双斜槽和直槽的电机出现偏心时力的分布，发现双斜槽电机径向电磁力更小。所以，双斜槽转子具有更强的性能，同时可以解决气隙偏心产生更多电磁力的问题，抑制噪声的效果更明显。

1.2.2 优化定、转子槽配合

异步电机中定、转子的槽数和槽配合对电机的噪声值会产生影响，主要是由于缝隙谐波的作用，选择合适的定子和转子缝隙数是很重要的。针对缝隙谐波的影响，文献[8]中提出一种转子开槽的方法，在不增加材料的前提下，减小了谐波引起的振动，并用有限元法计算了麦克斯韦力谐波，利用样机试验验证了方法对降噪有效；贺玉民[9]等针对槽配合是如何影响径向电磁力波进而影响电机噪声的问题进行了详细的理论分析，结合定子铁心模态对电机电磁噪声进行了分析，并利用频谱分析仪验证了槽配合对电机噪声有重要影响；文献[10]对具有低电磁噪声的异步电机定、转子齿产生的径向力进行有限元和模态分析，分析了插槽协调度为36/20，36/22，36/24 时产生的噪声值，发现协调度为36/24 时噪声最小；文献[11]分析了不同槽型组合的电磁力阶，通过模态分析计算定子的固有频率，采用有限元方法计算了电机径向电磁应力波的时空变化特征，并采用二维傅里叶分析方法对其进行了时空分析，对比得到了产生噪声最小的电机槽型组合。

电机中磁通密度分布与槽配合的选择也有关系，针对槽配合的改变如何影响磁通分布的问题，王晓远[12]等用有限元仿真软件分析了6 种不同槽配合电机的性能，得到不同磁通密度分布。当转子槽数逐渐增加时，电机气隙中的电磁阻不断增大，而磁通密度幅值降低，电机噪声也随之减少；禹利华[13]等针对高功率密度电机的电磁噪声进行槽配合的优化，选用5 种不同槽配合方案，分别计算其电磁力波，选择较高力波阶数、幅值小的槽配合，再对其进行4 个不同测量点的电磁噪声实测频谱，验证选择合适的槽配合可以降噪。

1.2.3 选择合适的绕组类型

绕组的类型对电机噪声会产生一定影响，选择产生较小谐波磁势的绕组对于降噪是非常有利的。异步电机绕组可以分为单层绕组和双层绕组，单层绕组的线圈工艺较简单，但产生的电磁波形较差，电机的耗损和噪声都比较大。双层绕组的电磁波形可以得到优化，相对来说性能更好。

为了比较单层和双层绕组的降噪效果，Razvan[14]等用2D 软件对单层和双层绕组进行电磁分析，结果双层绕组定子表面受到的压力、转矩产生的脉动幅度以及谐波幅度比单层绕组低，再用3D 模型机械分析定子壳体的固有频率，在半消声室内测量噪声值，发现双层绕组噪声的声压级较低；艾萌萌[15]等通过分析双转子的环形绕组的结构和磁路提出一种不同结构的异步电机，分析其电磁特性并与传统电机对比，发现采用该环形绕组的结构可以提高电机的性能并且可以抑制噪声的产生。对于多相异步电机来说，绕组结构的可能组合也会影响电机噪声。Muteba[16]等针对绕组的组合做了一系列研究，以五相异步电机为例设计绕组因素，并用有限元法对不同五相绕组排列进行建模，指出采用双层、三层绕组组合并将线圈侧移到另一层可以减小电机转矩脉动，使电机的噪声更小。

2 异步电机通风噪声问题

2.1 通风噪声产生的原因

通风噪声是由于电机中气流压力发生变化和急剧脉动而产生的，气流和风路管道产生摩擦也会产生噪声。电机运行过程中，气流经过突出的障碍物时，黏滞力将通过的气流分成小涡流，形成的涡流导致空气的压缩和稀疏，形成涡流噪声。电机中风扇在高速运转时，风扇与空气之间发生相互作用形成压力脉动，从而带来旋转噪声，气流在遇到一些阻碍物时会产生干扰并发出笛声。

2.2 通风噪声的控制

由通风噪声产生的原因以及影响通风噪声的因素，可以从风源和传播方向两方面分析如何降低通风噪声。电机的通风噪声主要是风扇和转子的旋转产生的，其中以风扇产生的噪声为主，所以抑制风源可以通过优化电机风扇来实现；而从传播途径降噪可以利用消声器来减弱噪声。

在优化风扇设计这方面，王立名[17]等对风扇做出改进方案，通过减小外风扇的直径和宽度降低了电机的噪声值并提升了电机的效率，并比较了圆弧形与平板形后倾式叶片产生的噪声和使用性能，发现选择圆弧形的叶片噪声更小；Kim[18]等通过数值分析确定影响通风噪声的因素，将风扇叶片角度、数量、形状作为电机模型的设计参数，通过案例分析确定叶片的数量，选择槽楔形叶片并减小叶片的直径，最后进行噪声测试，发现改进后的模型噪声小于基础模型。

如果声源这方面不能控制噪声，可以从声音传播途径降噪，消音罩就是一种既可以通过气流，同时削弱甚至阻止声音传播的装置。文献[17]针对消声罩安装在进风口和出风口以及增加吸声尖劈前后电机噪声值变化的问题设计了多种消声罩安装方案，通过实验比较各方案可以降低噪声值的大小，判断出在进风口加消声罩并添加吸声系数高的吸声尖劈的降噪效果最优。

3 异步电机机械噪声问题

3.1 机械噪声产生的原因

机械噪声产生的原因可以分为3 类：（1）转子不平衡。当转子分布不均匀，转动时会形成离心力，力在支座上产生数值和相位均一样的振动为静不平衡，数值一样但相位有异的振动为动不平衡，两者都有为混合不平衡；（2）轴承噪声。轴承在较为复杂的工况下运转时会随着转子一起旋转，发生相对振动时撞击而产生噪声，轴承装配得不合适也会引起机械噪声；（3）构件发生共振。当电机的任意一个构件自身固有的频率与其他某一个频率相似时，就会产生构件共振。

3.2 机械噪声的抑制方法

3.2.1 改善轴承-转子系统的稳定性

在旋转机械中，轴承和转子系统的稳定性是重要的使用性能，由于材料质量的不均匀、设计转子时产生的各种误差等原因都容易导致转子各位置质量不均，不均匀的转子在高速转动时会产生噪声。当电机在复杂的工况下运行时，轴承随着转子的旋转会产生碰撞噪声，轴承的装配不合适也会引起噪声。目前，对于转子和轴承不稳定产生的噪声问题，主要是从转子动平衡、轴承结构和轴承的装配方面进行研究。

针对转子不平衡所产生的噪声，许多学者提出了动平衡法。王瑞[19]等针对高速电机的转子不平衡做了实验，利用传感器测量不平衡引起的振动得到不平衡量，用影响系数法校正动平衡配重，该方法提高了动平衡速度，并且在实验中可以得知转子的最高转速以便转子工作时不超过最高转速引起更大的振动。但是这种测试方法不能精确测量出不平衡的位置；文献[20-21]利用观测器精确估计转子动态不平衡扰动，并将其从总扰动中分离出来，从而估计出转子动态不平衡的个数，这种方法提高了测量转子不平衡的精确度。

异步电机在车辆上作为驱动电机，为提高轴承-转子系统的性能，系统转速要提高，会导致操作过程中产生更多的弯曲共振频率交叉，从而引起振动。针对轴承-转子系统产生的噪声，一些学者从轴承设计上做了一系列研究。Becker，S.Heindel 等分别在文献[22-23]提到一种压电作动器控制的主动轴承可实时主动平衡转子，并通过闭环控制器使转子始终保持在旋转中心，避免轴承和转子不稳定引起噪声。文献[24]提到挤压油膜阻尼轴承可以通过对转子施加外油膜阻尼力来抑制轴承-转子系统的额外振动；S.Zhang[25]介绍了一种具有可调能力的轴颈轴承，设计制作了可调轴承的物理模型，并建立了刚性和柔性试验台对轴承-转子系统在各种振动状态下的振动抑制行为进行了实验研究，验证了该轴承对轴承-转子系统在不同振动状态下的振动有抑制作用。

对电机轴承施加适当的压力也可以降低噪声。周俊[26]等提出2 种对轴承施加适当压力的方法降低噪声，第一个是使用波形弹簧片，在轴承室增加一个耐油橡胶圈，可以抵住前轴承的外边缘来降低噪声，但该方法需要在前轴承室留出合适的空隙；第二个是针对闭室的轴承室，在贴着轴承的內缘开一个卡簧槽，选择合适的卡簧卡住轴承，防止转轴带动轴承窜动。

电机内轴承的结构参数对噪声是否有影响，一些学者通过建立轴承噪声模型，分析出轴承径向游隙越大产生的噪声也随之增大，曲率半径增大噪声反而减小，所以，针对不同的噪声要求选择合适的结构参数对噪声的抑制有一定的作用。

3.2.2 抑制构件共振

电机机壳、定子等电机构件产生共振也是产生机械噪声的原因之一。吴旭升[27]等分析出当定子的结构无异时，电机机壳设计会影响电机自振频率，对电机噪声传播也产生影响，绘制出机壳刚度随机壳外径的变化曲线，发现当机壳外径增大时，刚度随之下降，而电机自振频率降低。所以，为避免共振，可通过改变机壳的外径来实现，同样，可以通过改变电机的质量来改变振动的位移降低噪声值；文献[28]将分别带有铝制和灰铸铁定子壳的电机进行噪声测试，对电机的固有频率进行分析，发现电机的某些部分会形成共振引起噪声，根据振动的频率分量提出将起主要作用的前5 个频率分量作为参考，在设计电机时，固定频率如果避免产生这些分量则可以减少噪声。实验结果还表明，铝制定子壳的电机噪声更难抑制，因为间隙配合更容易引起共振的发生，而外壳和定子属于紧密配合的电机产生的振动容易抑制。

4 总结

本文将异步电机噪声分为3 类，分析和总结了噪声产生的原因和抑制方法。从减少电机电磁谐波产生的角度，电机降噪主要考虑斜槽设计、转子和定子槽配合以及绕组结构设计。优化定、转子结构虽然可以降噪，但是可能降低电机稳定性，所以，对电机定、转子结构优化的同时，应考虑电机运行的稳定性；在改善异步电机通风噪声时，大部分都通过优化电机风扇的结构和尺寸设计来降噪，而关于消声罩设计的研究较少；电机各部件结构和加工工艺的优化也亟待深入研究。