永磁同步电动机空载噪声的降低方法

钟双双

(辽宁警察学院 治安管理系，辽宁 大连 116036)

0 前言

相比于传统的电励磁与感应电机，永磁同步电动机具有更高的功率密度和更宽的调速范围等优点[1-2]，使其在家用电器、机床、汽车、军工等许多领域中应用越来越普遍。但正由于这些优点，更容易使其产生噪声。而严重的噪声可成为直接决定该产品能否稳定运行的关键因素和能否满足标准限值的瓶颈。因此，永磁同步电动机运行时产生的噪声是人们亟待解决的问题。

降低噪声一直是永磁同步电动机研究的主要内容之一，国内外许多专家学者对其进行了广泛深入的研究，并取得了一定的成果。永磁同步电动机产生噪声的主要源头有机械噪声源、空气动力噪声源以及电磁噪声源[3]。梅宏斌[4]提出了轴承噪声源频率的计算方法。赵彤航等[5]经分析发现，冷却风扇系统的噪声对整机的噪声有重大影响，并提出通过优化叶片数、轮毂比，叶片弦长和宽度等参数来降低空气动力噪声。唐任远院士等人[6-7]分析了变频器供电对电机噪声的影响。黄苏融教授等学者[8]提出了用电磁与结构耦合来预测分析电机噪声的方法。英国谢菲尔德大学的诸自强教授[9]也证明了作用于电机定子表面的径向电磁力和定子结构的各阶模态是导致永磁同步电动机电磁噪声的两个关键原因。但上述文献只是单独分析机械噪声源、空气动力噪声源、电磁噪声源对永磁同步电动机噪声的影响，并没有综合分析这三种噪声源之间相互作用对永磁同步电动机在空载运行时噪声的影响。因此，本文以36槽8极表面式永磁同步电动机为研究对象，先分别分析了三种噪声源在空载时对样机声压级频谱产生的作用；然后研究三种噪声源相互作用对空载时样机声压级频谱的影响；并提出相应方法来降低噪声。

1 永磁同步电动机的结构模型

本文以8极36槽表面式永磁同步电动机作为研究对象，进行噪声分析。其结构示意图和结构参数分别如图1、表1所示。此样机的转子永磁体采用钕铁硼(NdFeB)N35UH永磁材料；定子和转子铁心采用DW470-50软磁材料；转子轴采用45#钢。

图1 表面式永磁同步电动机的结构模型

表1 表面式永磁同步电动机的结构参数

2 永磁同步电动机的噪声测试

采用半球法对样机的振动噪声进行测试，其振动噪声测试系统和现场测试图分别如图2和图3所示。首先，在距样机轴线中心1 000 mm、距地面1 000 mm、且与样机轴线成45°的位置处放置B&K 2239声级计来测量样机的噪声；然后，噪声信号通过声级计被直接传输到数据采集系统B&K 3050-A-060；同时，通过声级计可以直接读取样机的噪声值；最后，所有的信号通过数据采集系统输入到计算机进行频谱分析。

图2 永磁同步电动机的振动噪声测试系统

图3 永磁同步电动机的振动噪声测试现场

样机的振动噪声通过Pulse Labshop软件进行测试，且通过Pulse Reflex Core软件分析被测试的振动噪声数据。通过测试分析获得了样机在不同的速度、负载和开关频率下的声压级频谱和噪声值。并运用Matlab进行信噪分离来过滤出背景噪声。图4是样机在空载、2 000 r/min额定转速且4 kHz开关频率下的声压级频谱图。表2是从图4提取的声压级频谱主要峰值。

图4 表面式永磁同步电动机在2 000 r/min额定转速、4 kHz开关频率且空载下的声压级频谱

表2 从图4提取的声压级频谱主要峰值

3 永磁同步电动机噪声的产生原因

引起永磁同步电动机产生噪声的主要源头包括机械噪声源、空气动力噪声源和电磁噪声源。

3.1 机械噪声源频率

常见的机械噪声源有摩擦噪声、撞击噪声、齿轮噪声、轴承噪声等[10]。本文只考虑轴承噪声。

由轴承产生的噪声源频率为[4]

(1)由转动不平衡引起的旋转噪声fr。

(1)

(2)保持架的转动频率fc。

(2)

(3)z个滚动体与外圈上某一固定点接触的频率f0及其谐波。

(3)

(4)z个滚动体与内圈上某一固定点接触的频率fi及其谐波。

(4)

(5)滚动体的自转频率fb及其谐波。

(5)

式中，n为转速，r/min；d为轴承滚动体直径；D为轴承节径；α为接触角；z为滚动体个数。

声压级频谱在频率为32 Hz和160 Hz处的峰值分别是由旋转频率33.3 Hz和其5次谐波166.7 Hz引起的；声压级频谱在频率为432 Hz处的峰值是由保持架转动频率调制的滚动体自转频率427.3 Hz引起的；声压级频谱在频率为928 Hz处的峰值是由外圈固定点频率的5次谐波926.5 Hz、旋转频率调制的内圈固定点频率944.1 Hz引起的；声压级频谱在频率为1 104 Hz处的峰值是由外圈固定点频率的6次谐波1 111.8 Hz、内圈固定点频率的4次谐波1 125.5 Hz、旋转频率调制的内圈固定点频率1 056.3 Hz引起的等。因此，样机的声压级频谱中低频峰值主要是由轴承噪声源引起的。

3.2 空气动力噪声源频率

空气动力噪声从噪声频率的角度可以分为旋转噪声和涡流噪声[11-12]。其中，旋转噪声在声压级频谱上表现为离散的频谱，而涡流噪声在声压级频谱上表现为连续的频谱。因此，本文只考虑旋转噪声，且其频率为

(6)

式中，k为谐波次数，即1,2,3,……；Zb为风扇叶片数。

声压级频谱在928 Hz、2 192 Hz、2 640 Hz和2 800 Hz等处的峰值分别由旋转噪声的4、9、11和12次等谐波(933.3 Hz、2 100 Hz、2 566.7 Hz和2 800 Hz等)引起的。

3.3 电磁噪声源频率

电磁噪声源[13-14]是使永磁同步电动机产生噪声的最重要源头。本文从径向电磁力、固有频率、开关频率以及电流谐波频率等四个方面，分析电磁噪声源对声压级频谱峰值的影响。

3.3.1 径向电磁力

运用数值法和Matlab通过式(7)～式(9)计算当转子旋转时定子内表面上某一点随时间变化的径向电磁力密度及其功率谱，如图5所示。

图5 表面式永磁同步电动机随时间变化的径向电磁力密度及其功率谱

(7)

y=fft(σr(θ,t),N)

(8)

P=y.×conj(y)/N

(9)

式中，σr(θ,t)是径向电磁力密度，N/m2；Br(θ，t)是径向磁通密度，T；Bt(θ,t)是切向磁通密度，T；μ0是真空磁导率，4π×10-7H/m；N是从σr(θ,t)中提取的数据个数；y是对N个数据进行傅里叶变换的结果；P是功率谱密度。

径向电磁力密度功率谱的峰值频率是极数、旋转频率以及谐波次数的乘积，即

=266.67 Hz,533.33 Hz,800 Hz,…

(10)

式中，p为表面式永磁同步电动机的极对数。

为了确定径向电磁力是否是表面式永磁同步电动机噪声产生的原因，将不同负载、2 000 r/min额定转速且4 kHz开关频率下实验得到的声压级频谱进行对比，如表3所示。

表3 声压级频谱峰值对比

从表3可以看出，在频率1 104 Hz到2 944 Hz之间，半载时声压级频谱的峰值比空载时的大0.2～8.2 dB(A)；满载时声压级频谱的峰值比半载时的大0.2～7.7 dB(A)。满载时的声压级频谱的峰值比空载时的大0.4～15.1 dB(A)。因此，在这个频率范围内，径向电磁力是表面式永磁同步电动机噪声产生的主要原因。

为了进一步研究径向电磁力对表面式永磁同步电动机噪声的影响，对样机产生的磁场在气隙处的径向电磁力波进行分析[15]，结果如表4所示。

表4 径向电磁力波的频率和阶数

从表4可以看出，能引起样机噪声的径向电磁力波主要是0阶和4阶。振动加速度的幅值A与径向电磁力波的幅值F成正比，与径向电磁力波次数的4次方γ4成反比[1]。即在确定的刚度条件下，径向电磁力波阶数越低，定子铁芯的变形越大，噪声越大；径向电磁力波的幅值越大，定子铁芯的变形越大，噪声越大。

由图1可知，职前教师在解决数据分析相关问题时，其认知水平大多处于多元结构和关联结构发展水平，达到抽象拓展结构水平的人数较少．同时，可以看到在应用数据维度上的问题解决好于数据分析方法和数据随机意识，其中处于关联结构水平的人数占比45%，处于抽象拓展结构水平的占比8%．

(11)

3.3.2 固有频率

采用丹麦B&K公司振动声学测试系统型号7753模态测试软件对被测样机进行激振器法模态测试，如图6所示，得到定子结构(机壳、定子铁芯、绕组)的各阶固有频率。表5是实测定子结构的固有频率，空载时仿真的径向电磁力密度功率谱峰值频率和2 000 r/min额定转速、4 kHz开关频率且空载下实测声压级频谱峰值频率的对比。

图6 定子结构的模态测试现场

从表5可以看出，样机的声压级频谱在频率为1 536 Hz、2 192 Hz、2 944 Hz、3 328 Hz、3 472 Hz、3 664 Hz、3 872 Hz、4 304 Hz、5 200 Hz、6 928 Hz、7 200 Hz和7 472 Hz处产生峰值是由于实测定子结构的固有频率和仿真径向电磁力密度功率谱峰值频率在对应频率相接近时产生共振引起的。

3.3.3 开关频率

当采用变频器供电时，永磁同步电动机定子电枢反应磁场中产生了大量与开关频率有关的谐波成分，这些谐波与永磁体磁场相互作用产生电磁激振力。而此电磁激振力的频率与变频器开关频率和表面式永磁同步电动机运行频率呈现和差关系。因此，变频器供电时样机产生的电磁激振力频率可以表示为[6]

f=k1fT±k3f0

(12)

式中，fT为变频器的开关频率；f0为电动机的运行频率；k1和k3为奇偶性相同的正整数，即k1为奇数时，k3为奇数，k1为偶数时，k3也为偶数。

按照式(12)计算得到了样机在4 kHz开关频率和二倍开关频率附近噪声源的主要特征频率，如表5所示。

从表5可以看出，样机的声压级频谱在频率为3 328 Hz、3 472 Hz、3 664 Hz、3 872 Hz、4 304 Hz、7 200 Hz和7 472 Hz处峰值是由经基频调制的开关频率与仿真径向电磁力密度功率谱峰值频率和实测定子结构固有频率在相应频率相接近时产生共振引起的。而在8 000 Hz、8 272 Hz和8 800 Hz处的峰值是由经基频调制的开关频率与仿真的径向电磁力密度功率谱峰值频率在对应频率相接近时产生共振引起的。

表5 在2 000 r/min额定转速、4 kHz开关频率且空载时电磁噪声源频率的对比

3.3.4 电流频率

图7是样机在2 000 r/min额定转速、4 kHz开关频率且空载下的电流频谱图。表5是空载时实测电流频谱峰值频率和实测声压级频谱峰值频率等频率的对比。

图7 表面式永磁同步电动机在2 000 r/min额定转速、4 kHz开关频率且空载的电流频谱

从表5可以看出，能够使空载声压级频谱在频率为3 328 Hz、3 664 Hz、3 872 Hz、7 200 Hz和7 472 Hz处产生峰值是由经基频调制的第26、28、53和55次电流谐波与实测定子固有频率、仿真径向电磁力密度功率谱峰值频率以及经基频调制的开关频率在相应频率相接近时产生共振引起的；在频率3 472 Hz、4 304 Hz处产生峰值是由第26、33次电流谐波与实测定子固有频率、仿真径向电磁力密度功率谱峰值频率以及经基频调制的开关频率在相应频率相接近时产生共振引起的；在频率6 928 Hz处产生峰值是由经基频调制的第53次电流谐波与实测定子固有频率和仿真径向电磁力密度功率谱峰值频率在相应频率相接近时产生共振引起的；在频率为8 000 Hz、8 272 Hz和8 800 Hz处产生峰值是由经基频调制的第59、61和67次电流谐波与仿真径向电磁力密度功率谱峰值频率以及经基频调制的开关频率在相应频率相接近时产生共振引起的。因此，共振是样机的声压级频谱在中高频率产生峰值的重要源头。

3.4 噪声源频率

样机声压级频谱在一些频率处出现的峰值不是一种噪声源的作用，而是几种噪声源相互作用，如机械噪声源、空气动力噪声源以及电磁噪声源之间的频率相接近产生共振引起的，见表6所示。

表6 在2 000 r/min额定转速、4 kHz开关频率且空载时噪声源频率的对比

从表6可以看出，样机的声压级频谱在频率为928 Hz处峰值是由机械噪声源频率和空气动力噪声源频率在相应频率相接近时产生共振引起的；在频率为1 104 Hz和1 536 Hz处峰值是由机械噪声源频率和电磁噪声源频率在对应频率相接近时产生共振引起的；在频率为2 192 Hz、2 640 Hz和2 800 Hz/2 944 Hz处峰值是由机械噪声源频率、空气动力噪声源频率以及电磁噪声源频率在相应频率相接近时产生共振引起的。因此，三种噪声源之间的相互作用能够引起样机的声压级频谱出现峰值。

4 永磁同步电动机噪声的降低

依据本文分析可知，该样机的噪声主要是由机械噪声源、空气动力噪声源以及电磁噪声源引起的。因此，提出两端止口一刀切、不带风机以及增加机壳硬度的措施来降低样机的噪声。

4.1 两端止口一刀切

转子轴径的偏心、机壳两端止口的不对中等都会产生旋转频率。为了降低旋转频率对样机噪声的影响，提出了改进原始加工工艺的方法，即采用两端止口一刀切来提高结构间的同轴度。通过实验测得了应用该种方法前后永磁同步电动机在不同转速、空载且4 kHz开关频率下的噪声值，其结果对比如图8所示。

图8 在4 kHz开关频率且空载下，两端止口一刀切前后永磁同步电动机噪声值的对比

从图8可以看出，在空载、不同转速且4 kHz开关频率下，采用两端止口一刀切提高同轴度后电动机的噪声值和原始电动机的噪声值几乎一样。这是因为在空载工况下径向电磁力对噪声影响很小。因此，提高同轴度对空载工况下的噪声几乎没有影响。

4.2 不带风机

为了减少空气动力噪声源对样机噪声的影响，去掉样机中的风机。通过实验测得不带风机前后永磁同步电动机在不同转速、空载且4 kHz开关频率下的噪声值，其结果对比如图9所示。

图9 在4 kHz开关频率且空载下，不带风机前后永磁同步电动机噪声值的对比

从图9可以看出，在空载，不同转速且4 kHz开关频率下，不带风机的电动机的噪声值都比原始电动机的小；且在2 000 r/min额定转速下，噪声值减小的最多，减少了3.9 dB(A)，即降低了5.64%。不带风机可以减少空气动力噪声源对样机噪声的影响。而且，不带风机可以该变原样机的结构，进而改变固有频率，从而降低电磁噪声源对样机噪声的影响。因此，不带风机可以较大幅度的降低样机的噪声。

4.3 增加机壳硬度

电磁噪声源之间的共振是造成样机产生电磁噪声的重要源头。为了减少共振的影响，对样机的机壳增加硬度，从而改变样机的固有频率，进而改变共振的产生，达到改变样机噪声的目的。通过实验测得了增加机壳硬度前后永磁同步电动机在不同转速、空载且4 kHz开关频率下的噪声值，其结果对比如图10所示。

图10 在4 kHz开关频率且空载下，增加机壳硬度前后永磁同步电动机噪声值的对比

从图10可以看出，在空载、不同转速(除了2 000 r/min额定转速外)且4 kHz开关频率下，采用增加机壳硬度后样机的噪声值比原始样机的噪声值都大。这说明增加机壳硬度，可以改变电动机的固有频率，但能够增加共振，从而提高永磁同步电动机的噪声。因此，可以采用降低机壳硬度、改变机壳厚度以及定子结构的平均直径等方法来减少共振，从而达到降低永磁同步电动机电磁噪声的目的。

5 结论

(1)永磁同步电动机空载时声压级频谱在低频产生峰值的主要原因是机械噪声源。但采取两端止口一刀切来提高同轴度的措施对降低空载时永磁同步电动机噪声几乎没有影响。

(2)不带风机可以有效降低永磁同步电动机在空载时的噪声。且在2 000 r/min额定转速、空载、4 kHz开关频率下降低的最多，即降低了3.9 dB(A)，相对减少了5.64%。

(3)共振(电磁噪声源)是导致永磁同步电动机空载时声压级频谱在中高频产生峰值的重要源头。但增加机壳的硬度改变固有频率，能够增强共振，进而加大永磁同步电动机的噪声。

(4)不同噪声源之间相互作用能够引起声压级频谱产生峰值。