車用異步電機(jī)的噪聲分析與噪聲控制綜述

閆新健

摘要：異步電機(jī)是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要類型之一，在新能源汽車發(fā)展中，電機(jī)得到了更多的關(guān)注，電機(jī)所產(chǎn)生噪聲在汽車使用過程中有著越來越重要的影響。本文從車用異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展入手，總結(jié)國內(nèi)外對于車用異步電機(jī)噪聲研究，熟知車用異步電動(dòng)機(jī)的組成及噪聲產(chǎn)生機(jī)理，了解當(dāng)前情況下針對降低車用異步電機(jī)噪聲的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：異步電機(jī);噪聲;控制;降低

中圖分類號(hào)：TM301? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0090-02

0? 引言

電機(jī)作為設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力的供給單元，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、商業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域。尤其是在新能源汽車蓬勃發(fā)展以來，車用電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛并且受到重視。由于當(dāng)今人們對駕駛乘坐舒適性的追求，對于汽車使用過程的品質(zhì)愈來愈重視，如何進(jìn)一步降低電機(jī)的噪聲和振動(dòng)是一個(gè)很有意義的研究方向。電機(jī)的噪聲水平和振動(dòng)已是評(píng)定電機(jī)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，異常的振動(dòng)不僅是引起噪聲的主要原因，也會(huì)進(jìn)一步的影響電機(jī)的壽命，影響汽車的使用壽命。

1? 車用異步電機(jī)的噪聲研究

1.1 對于降低車用異步電機(jī)的電磁噪聲研究? 通過研究異步電機(jī)的電磁噪聲產(chǎn)生的原因，采用仿真模型，甚至使用實(shí)際電機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并加以分析，通過這些方法來降低電磁噪聲。

有研究者認(rèn)為異步電機(jī)電磁噪聲產(chǎn)生電磁噪聲的主要原因是因?yàn)闅庀洞艌鲋C波的存在，所以在2009年鄔連學(xué)、李興權(quán)、孫曉燕等人利用針對諧波產(chǎn)生的途徑，了解到電磁噪聲主要由定轉(zhuǎn)子諧波磁場相互作用而產(chǎn)生隨時(shí)間和空間變化的電磁力波，使定子產(chǎn)生高倍數(shù)電源頻率的振動(dòng)而引起的。對其進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)的控制辦法。例如：適當(dāng)增大氣隙;采用短距繞組消弱諧波電;轉(zhuǎn)子進(jìn)行斜槽處理;降低電機(jī)定子表面的動(dòng)態(tài)振動(dòng)等措施，來在電機(jī)設(shè)計(jì)指出對電磁噪聲進(jìn)行減弱并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的措施[1]。

混合動(dòng)力汽車（HEV）中為了減小驅(qū)動(dòng)單元，要求減小電動(dòng)機(jī)尺寸并增大最大扭矩。為了這些目的，最近已經(jīng)普遍使用了施加永磁體的電動(dòng)機(jī)。并且，根據(jù)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的輸出功率額定值，電樞電路中采用了并聯(lián)電路。但是由于電動(dòng)汽車（EV）或HEV的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須在高達(dá)1：5的大變速范圍內(nèi)運(yùn)行，因此可能會(huì)引起電動(dòng)機(jī)噪聲和振動(dòng)。2011年Arata、Mochizuki、Araki等人分析了噪聲模式的特征并考慮了其產(chǎn)生的主要原因。通過進(jìn)行模擬測試確認(rèn)主要原因，提出了改變電機(jī)線圈卷繞方式的措施[2]。

2015年王荀、邱阿瑞依據(jù)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)電磁噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，從電磁力、機(jī)械振動(dòng)和聲輻射特性三個(gè)方面進(jìn)行仿真得到電磁噪聲。

本文對鼠籠異步電動(dòng)機(jī)電磁噪聲的仿真分為三步，首先利用電壓作為輸入的場路耦合時(shí)步有限元模型計(jì)算磁場、徑向電磁力和電流;之后利用三維機(jī)械有限元模型算出徑向電磁力激勵(lì)下的定子振動(dòng)特性;最終利用聲學(xué)邊界元模型計(jì)算電機(jī)的輻射聲場。將電磁噪聲的試驗(yàn)測量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，研究得到基于機(jī)械有限元模型研究定子振動(dòng)模態(tài)以及在電磁力激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)。試驗(yàn)測量結(jié)果驗(yàn)證了電磁噪聲仿真計(jì)算的有效性。基于該文電磁噪聲仿真方法可在設(shè)計(jì)階段對電磁噪聲進(jìn)行定量預(yù)估，有助于低噪聲電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)[3]。

2016年禹立華認(rèn)識(shí)到研究電機(jī)電磁噪聲就必須要把電磁噪聲從疊加的噪聲里分離，應(yīng)用于驗(yàn)證電磁噪聲理論計(jì)算的可靠性。

采集電機(jī)噪聲后，通過一系列方法對電磁噪聲的分離，然后對電磁噪聲及對應(yīng)主頻率數(shù)據(jù)采集與分析后。此后根據(jù)聲學(xué)、電磁、振動(dòng)等理論，開發(fā)電磁噪聲計(jì)算分析軟件，并且進(jìn)行可靠度驗(yàn)證。最后在電磁力波計(jì)算方法驗(yàn)證可靠的前提下，對一系列高壓異步電動(dòng)機(jī)方案進(jìn)行改良，算出電磁噪聲最佳方案;針對改進(jìn)的系列電機(jī)試制后重新做噪聲頻譜試驗(yàn)并分離出電磁噪聲及其主要頻率，進(jìn)而對比分析改進(jìn)電磁噪聲的變化以及為了驗(yàn)證電磁力波計(jì)算方法的可靠性[4]。

通過仿真方法研究電磁噪聲，2017年鄭江、代穎、石堅(jiān)等人為了分析車用異步電機(jī)的電磁噪聲問題。利用多物理場有限元仿真與試驗(yàn)結(jié)合的方法進(jìn)行研究，首先對一臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行噪聲測試，通過分析一臺(tái)電動(dòng)汽車牽引用異步電機(jī)空載時(shí)噪聲大的原因，來定位噪聲的主要來源。利用多物理場有限元分析其成因，并且基乎Awys Vrorbcnch多物理場仿真分析平臺(tái)建立樣機(jī)的電磁一結(jié)構(gòu)一聲場仿真模型，通過仿真和試驗(yàn)對比，驗(yàn)證仿真的正確性。然后分析不同槽配合方案的電磁力波特性，通過選取對應(yīng)的槽配合來抑制電磁噪聲。最后通過試驗(yàn)測試和多物理場仿真證明方法的正確性[5]。

電機(jī)產(chǎn)生的噪聲水平是權(quán)衡電機(jī)質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，如何有效降低電機(jī)噪聲是電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，2017年孫小剛、劉碩、馮德洋等人針對異步電機(jī)噪聲中的電磁噪聲問題展開分析，并通過實(shí)際電機(jī)的驗(yàn)證分析的正確性。首先，通過對異步電機(jī)中的各種徑向電磁力分析，提出電磁噪聲產(chǎn)生的主要原因是齒諧波產(chǎn)生的徑向電磁力，并且結(jié)合經(jīng)典振動(dòng)力學(xué)對不同力波次數(shù)的激振源給出了具體分析;最后，為了證明理論的正確性，并給出可有效降低電磁噪聲的相關(guān)方法，作者等人利用實(shí)際電機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證，并取得很好的成果[6]。

2019年黃闖、代穎、羅建等人以額定功率40kW的新能源汽車異步電機(jī)牽引系統(tǒng)為例，基于Matlab和Ansys/Maxwell軟件平臺(tái)，以系統(tǒng)角度出發(fā)，分析車用電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制器系統(tǒng)的電磁振動(dòng)與噪聲。通過仿真電機(jī)車載固定模式下電機(jī)結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，分析安裝固定對電機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的影響。分析變頻器開關(guān)頻率對電機(jī)牽引系統(tǒng)電磁噪聲的影響，通過仿真對比指出合理的開關(guān)頻率，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論分析的正確性[7]。

通過以上方法，很多研究者都進(jìn)行了降低異步電機(jī)噪聲降低措施的研究，并且取得了很好的結(jié)果。

1.2 利用電機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行降低噪聲研究

在電機(jī)設(shè)計(jì)的源頭進(jìn)行改進(jìn)，以此降低異步電機(jī)的噪聲，是一個(gè)很好的研究方向。

異步電機(jī)高噪聲容易降低設(shè)備壽命，造成環(huán)境污染。2012年尚榮艷、彭長青、方瑞明等人分析異步電機(jī)三種噪聲的產(chǎn)生原因，從電源、定轉(zhuǎn)子鐵心、軸承、繞組、通風(fēng)、電刷與集電環(huán)及其它方面，詳細(xì)分析了低噪聲異步電機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，全面地論述了異步電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該采用的降噪措施，該文章為電機(jī)研究者提供參考，具有重要的實(shí)踐意義[8]。

噪聲作為異步電動(dòng)機(jī)性能高低的一個(gè)重要判別指標(biāo)，尤其是對環(huán)境噪聲要求高的場所，更要注重噪聲的大小。在異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，噪聲主要是由電磁、機(jī)械以及通風(fēng)等因素共同決定的，其中電磁和通風(fēng)條件是噪聲產(chǎn)生的主要原因，對噪聲的大小具有決定性的作用。為了降低異步電動(dòng)機(jī)噪聲對周圍環(huán)境所造成的不良影響，就要對異步電動(dòng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入的分析研究，查明噪聲的原因，并采取有針對性的降噪措施，進(jìn)而降低異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中的噪聲，減少噪聲污染，為用戶提供安靜的工作環(huán)境。研究異步電機(jī)的構(gòu)造，各部分產(chǎn)生噪聲的原因，通過改進(jìn)異步電機(jī)的構(gòu)造降低異步電機(jī)的噪聲。

1.3 槽配合對車用異步電機(jī)噪聲影響

電磁噪聲時(shí)異步電機(jī)噪聲的主要成分，研究者們希望通過利用槽配合來實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的電磁噪聲減弱，在這一方面做出了大量的研究。

由于電機(jī)的電磁噪聲主要由電磁力作用引起電機(jī)機(jī)械的振動(dòng)導(dǎo)致。極數(shù)多、轉(zhuǎn)速低的電機(jī)，電磁噪聲往往會(huì)顯得很突出。2014年賀玉民、史建萍、崔偉、趙東芝、吳若欣等人從理論分析槽配合對電磁力波的影響，并結(jié)合模態(tài)分析了電機(jī)電磁噪聲問題，并根據(jù)不同的槽配合制造不同的轉(zhuǎn)子驗(yàn)證理論的正確性。試驗(yàn)結(jié)果證明槽配合對電機(jī)電磁噪聲有很重要的影響，改變槽配合對處理電磁噪聲是有效方法[9]。

異步電機(jī)的電磁噪聲問題至今都是國內(nèi)外各大電機(jī)制造公司面臨的難題，隨著高功率密度異步電機(jī)的出現(xiàn)，電磁噪聲問題的解決將會(huì)更加困難。

對于異步電機(jī)的槽配合的研究，可以很大程度降低電磁噪聲，也取得了很大的成果。

1.4 通風(fēng)噪聲對車用異步電機(jī)噪聲的影響

電機(jī)的通風(fēng)噪聲與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，2014年馬大勇、孔逸明、張海波、黃海彬等人為了有效降低通風(fēng)噪聲，對不同風(fēng)扇的噪聲進(jìn)行測定。首先進(jìn)行了通風(fēng)噪聲產(chǎn)生原因分析，此后考慮在無法進(jìn)行通風(fēng)流量測試狀態(tài)下，按照電機(jī)的溫升試驗(yàn)來確定該風(fēng)扇是否符合電機(jī)散熱要求的方案。通過樣機(jī)驗(yàn)證，為改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和降低電機(jī)通風(fēng)噪聲提供新的設(shè)計(jì)思路[10]。

2018年王力名、蘇國霞分別從聲源和傳播方向兩方面控制通風(fēng)噪聲，研究降低高壓方箱異步電動(dòng)機(jī)通風(fēng)噪聲的方法。通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在溫升允許的情況下，采用優(yōu)化風(fēng)扇直徑及風(fēng)扇葉結(jié)構(gòu)的方法，降低通風(fēng)噪聲的效果顯著。經(jīng)過多次優(yōu)化高壓方箱異步電動(dòng)機(jī)的消音罩結(jié)構(gòu)，分別采用在進(jìn)風(fēng)口及在出風(fēng)口設(shè)置消音罩，兩種結(jié)構(gòu)均可有效降低通風(fēng)噪聲[11]。

異步電機(jī)通風(fēng)噪聲很大程度上是由于電機(jī)的結(jié)果問題導(dǎo)致的，通過改進(jìn)異步電機(jī)結(jié)構(gòu)降低通風(fēng)噪聲，可以有效地減弱電機(jī)噪聲。

2? 結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)如今國內(nèi)外針對異步電機(jī)噪聲研究主要的就是通過針對電磁噪聲、通風(fēng)噪聲、槽配合、電機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行的，他們也通過實(shí)驗(yàn)證明研究的成果，并且針對成果提出了更多的期望。我們也期待更多更好的研究方法和試驗(yàn)手段，使人們對電機(jī)噪聲振動(dòng)的理解也不斷深入，取得更好的成果。

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