劉鵬，楊季旺，杜憲峰

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121000）

關(guān)鍵字：永磁同步電機；減振降噪

引言

永磁同步電機具有發(fā)熱小，功率效率高，噪聲低等特點，極限轉(zhuǎn)速和制動特性也比較優(yōu)良，是以被作為優(yōu)選廣泛應(yīng)用于泵，風(fēng)扇和電動車等。然而電機在工作過程中，往往會伴隨著振動產(chǎn)生噪聲。評價一款電機性能和質(zhì)量是否優(yōu)秀，其振動噪聲特性是所有評價標準中非常重要的一個，不正常的振動會加劇電機內(nèi)部的摩擦，增加損耗，進而會影響電機的使用壽命，還會影響乘客的乘坐舒適性。

1 永磁同步電機振動噪聲產(chǎn)生機理研究

1.1 永磁同步電機振動噪聲產(chǎn)生機理

電動車PMSM 的噪聲主要包含三大部分：空氣動力噪聲，主要由電機冷卻系統(tǒng)例如風(fēng)扇工作時產(chǎn)生的氣體流動造成的；機械振動噪聲，主要是由各部件之間的的摩擦及在轉(zhuǎn)子工作時由于其不平衡特性造成的振動產(chǎn)生；電磁噪聲，主要噪聲源。如今的電動汽車電機在其性能方面的要求越來越高，例如大轉(zhuǎn)矩，高負載等，這些都可能會導(dǎo)致電機振動噪聲的加劇。

永磁同步電機電樞在正弦波供電條件下，定子電樞電流產(chǎn)生的磁場諧波與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場諧波相互耦合，形成氣隙磁場，氣隙磁場又與定子鐵芯相互作用，進而產(chǎn)生電磁力，該電磁力直接作用于定子齒內(nèi)表面。而徑向電磁力作用于定子鐵芯，使其沿徑向發(fā)生振動形變，并通過空氣向外發(fā)射噪聲，這是電機產(chǎn)生電磁噪聲的主要原因。當(dāng)徑向電磁力密度頻譜所得頻率與電機（及其零部件）的固有頻率相同或相近時，電機就會發(fā)生共振，產(chǎn)生劇烈的振動和噪聲，對電機造成很大的破壞，可能還會波及到外界，造成到人身財產(chǎn)損失。

1.2 永磁同步電機電磁噪聲分析

因為電動車使用的軸承為具有高阻尼低噪聲的滑動軸承，并且它對傳動部件有著很高的動平衡要求，是以它的機械振動造成的噪聲很輕微，空氣動力噪聲也可以忽略不計，則電磁噪聲成為它的主要的噪聲源。

早在20 世紀70 年代，前蘇聯(lián)學(xué)者舒波夫從定轉(zhuǎn)子磁場特性方面分析了異步電機、直流電機、同步電機的磁噪聲問題，并詳細闡述空氣振動噪聲，轉(zhuǎn)子振動、滾動軸承振動以及電刷裝置引起的噪聲，提出并分析了電機隔振措施和噪聲的測試方法[1]。Taegen.F.等人通過對永磁同步電機電磁力和固有頻率的分析，選取兩種不同相數(shù)的電機利用解析計算和實驗分析相結(jié)合的方法研究，得出可以通過增加電機繞組相數(shù)，減少電磁力，改善振動噪聲性能。

于慎波學(xué)者計算了永磁同電動機轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速，通過與有限元法計算出的電機轉(zhuǎn)子動偏心時于轉(zhuǎn)子上的徑向磁拉力進行機械和電磁耦合計算，減小了不平衡磁拉力的計算帶來的誤差，通過對電機進行模態(tài)分析得到電機的模態(tài)頻率，并將電磁力加載到電機的模型上分析電機的響應(yīng)，并根據(jù)結(jié)果改善電機的參數(shù)從而使電機的模態(tài)頻率遠離電機電磁力頻率避免發(fā)生共振[2]。唐任遠教授推導(dǎo)出氣隙磁場諧波頻率的表達式，計算出了定子表面的電磁力波的大小，從而得到了氣隙磁場諧波頻率與振動噪聲頻率之間的關(guān)系。

2 永磁同步電機振動噪聲研究方法

電機的振動噪聲是一個多物理場問題，國內(nèi)外對電機電磁噪聲的研究方法有很多，但是使用較多的有解析法、有限元法、實驗法?，F(xiàn)在越來越多的學(xué)者運用多種分析方式耦合的方法對PMSM 的振動噪聲進行研究，有效的縮短了研究時間，提高了研究精度。

國外學(xué)者S. Huang用解析法對低噪聲永磁同步電機設(shè)計中的電磁振動和噪聲進行了分析，提出了降低噪聲功率級的方法，并對徑向和軸向磁通表面安裝的電機結(jié)構(gòu)進行了電磁振動噪聲評估。Islam R 利用有限元仿真和實驗對在不同極槽配合下的電機振動特性進行對比，提出造成噪聲和振動的主要原因是電磁力，利用結(jié)構(gòu)有限元分析（FEA）和實驗數(shù)據(jù)進行了驗證。韓國的S.Park 等人對內(nèi)置式永磁同步電機進行數(shù)值分析，運用麥克斯韋應(yīng)力張量法計算電機的徑向電磁力，并對求得的力進行FFT 分析，然后通過模態(tài)分析計算電機的固有頻率，最后通過間接邊界元法計算電機的噪聲[3]。

崔淑梅教授利用ANSYS 軟件對永磁直流電機建立結(jié)構(gòu)動力模型,計算得到振動頻響特性并以此作為輸入邊界激勵條件輸入聲學(xué)分析軟件SYSNOISE 中,計算出聲壓頻響特性，用二者聯(lián)合仿真的方法對電機振動噪聲進行分析[4]。王忠建學(xué)者建建立了開關(guān)磁阻電機的二維以及三維有限元模型，并與模態(tài)試驗相結(jié)合，研究得出底座會對電機的結(jié)構(gòu)模態(tài)產(chǎn)生一定的影響。彭俊等人根據(jù)PMSM 的周期對稱性，利用有限元軟件對其電磁場進行分析，通過參數(shù)化編程，只建立一個轉(zhuǎn)子磁極和對應(yīng)定子區(qū)域的有限元模型，采用磁路場和電路場耦合計算，用時步有限元可以快速的計算出電機的磁場分析[5]。

3 永磁同步電機減振降噪措施

電機振動噪聲主要由于定子結(jié)構(gòu)以及槽配合方式?jīng)Q定，優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)有助于減少振動噪聲對電機造成的影響，定子齒槽形狀、外徑、鐵芯類型、槽之間的配合方式等，均會對其轉(zhuǎn)矩波動具有較大影響，進一步可能引起電機噪聲。

至今，國內(nèi)外學(xué)者在提高永磁同步電機振動噪聲性能，對其進行減振降噪方面做出了諸多研究。大多從電機機械結(jié)構(gòu)調(diào)整例如改變永磁體的類型、調(diào)整槽之間的配合方式以及采用斜槽斜極等方面出發(fā)，對電機進行減振降噪處理，優(yōu)化其振動噪聲性能。英國學(xué)者Mitcham 與Antonopoulos 發(fā)現(xiàn)特定的極數(shù)與槽數(shù)配合能有效抑制低次數(shù)的電樞磁動勢諧波的幅值，并降低定子振動的幅度。Seung-HoonLee 學(xué)者提出可以在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子上設(shè)置凹口，從而可以最大限度地減少齒槽轉(zhuǎn)矩和電磁力的影響，進而減少內(nèi)裝式永磁電機振動。中國學(xué)者郎德文提出可以通過在機座和鐵芯之間加裝彈性連接、改變定子材質(zhì)以提高剛度和采用定子一體化結(jié)構(gòu)增加阻尼等措施來減少電機的振動噪聲。李巖教授分析了分數(shù)槽永磁同步電機在定子齒削角時永磁體產(chǎn)生的氣隙磁通密度分布表達式,在此基礎(chǔ)上計算了在不同齒削角度情況下的各次諧波幅值,發(fā)現(xiàn)在定子上應(yīng)用齒削角可有效降低的振動噪聲[6]。

4 結(jié)語

節(jié)約能源和環(huán)境保護日益受到重視的今天，電動車已會成為當(dāng)今社會的主流，而一款汽車的好壞，與其內(nèi)部電機的選擇有莫大的關(guān)系，而永磁同步電機由于它的高輸出轉(zhuǎn)矩和低噪聲等優(yōu)點受到各大電機廠的喜愛。但是電磁噪聲是影響PMSM 振動噪聲性能的一個主要因素，因此國內(nèi)外學(xué)者通過各種不同的技術(shù)手段和研究方法，對電磁力所造成的影響進入了深入的研究，并在這些研究的基礎(chǔ)上，提供許多可參考的電機減振降噪的優(yōu)化設(shè)計方案，為PMSM 的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻。