車用永磁同步電機振動噪聲研究綜述

王剛，王濤，穆寶茂

車用永磁同步電機振動噪聲研究綜述

王剛，王濤，穆寶茂

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

文章分別從電磁力波、電機結(jié)構(gòu)模態(tài)、電機聲輻射三個方面論述了國內(nèi)外近年來車用永磁同步電機振動噪聲的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了近年來車用永磁同步電機振動噪聲研究領(lǐng)域的成果，為后續(xù)降低永磁同步電機及新能源汽車振動噪聲提供了參考。

永磁同步電機；振動噪聲；新能源

引言

近年來，隨著新一輪的科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)變革，電動汽車市場也取得飛躍性增長。過去5年我國電動車市場的增速為平均每年107%，遙遙領(lǐng)先于增速為30%~40%的美國和歐洲主要國家市場[1]。隨著新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展，對電動汽車要求也不斷提高，安靜舒適的電動汽車也成為吸引消費者購買的一大重要因素。

由于電動汽車沒有傳統(tǒng)汽車發(fā)動機等部件，雖然整體噪聲會有所下降，但在高頻時缺少發(fā)動機噪聲的掩蔽效果，導(dǎo)致電動汽車中的電機高頻嘯叫更加顯著，令人難以接受，因此如何降低電機中產(chǎn)生的噪聲也具有十分重要的意義。作為主流之一的永磁同步電機，其自身具有高功率、高可靠性、發(fā)熱小等特點，也是作為目前電動汽車驅(qū)動電機的主要選擇之一[2,3]。隨著目前電動汽車驅(qū)動電機朝著大功率與大轉(zhuǎn)矩的方向不斷發(fā)展，隨之而來整體噪聲也會不斷加大。因此如何在確保滿足永磁同步電機功率與轉(zhuǎn)矩的前提下，最大限度地降低電機的輻射噪聲值變得具有十分重要的意義。

目前對于永磁同步電機振動噪聲的研究也吸引了大批國內(nèi)外學者。本文從電機電磁力波、電機結(jié)構(gòu)模態(tài)和電機輻射噪聲三個方面對當前的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)闡述。

1 電機電磁力波研究現(xiàn)狀

電機振動噪聲主要是由徑向電磁力產(chǎn)生，目前主要研究方法為解析法與有限元法兩種。解析法所得結(jié)果為解析表達式，能深入的分析電機的內(nèi)在規(guī)律。有限元法精度有所提升，但會增大計算機的運行內(nèi)存，對計算機的要求較高。對于解析計算法，英國學者 S.J.yang首次提出電機電磁力波的磁勢乘以磁導(dǎo)的這一計算方法，并且電磁力波對電機輻射噪聲的影響，尤其在電磁力的頻率接近于電機定子的模態(tài)頻率時，會由于共振引起十分大的噪聲[4]。2013年，合肥工業(yè)大學陳秋名教授推導(dǎo)出變頻供電的這種條件下，永磁同步電機的氣隙磁場與電磁力波的表達式，并且對其中階數(shù)低。幅值大的力波進行了分析[5]。

由于解析法未能考慮槽形變化以及電機飽和程度對磁場的影響，計算精度差。因此數(shù)值計算方法便得到廣泛應(yīng)用。近年來由于計算機軟件的迅速發(fā)展，因此越來越多的學者采用計算機軟件計算徑向力。JL Besnerais 等人通過計算機進行電磁力有限元分析，提出了一種改變電機定子槽寬度的方法來降低電磁噪聲[6]；沈陽工業(yè)大學的于慎波教授對永磁同步電動機的振動和噪聲特性進行了深入的研究[7]，2006年沈陽工業(yè)大學的于慎波教授針對永磁同步電機進行了分析，得出了轉(zhuǎn)子諧波對電磁力影響較大的結(jié)論[5]。2009年，山東大學張冉通過比較磁極偏心、開輔助槽等措施，合理地優(yōu)化永磁電機在空載情況下的電磁力[8]。2010年，R Islam等人通過比較不同槽極配合的電機狀態(tài)，對比分析了電機徑向電磁力的頻譜特征，通過仿真與試驗得到出電機的振動噪聲的分布，發(fā)現(xiàn)電機振動噪聲主要來源為電磁力，并不是轉(zhuǎn)矩波動[6]。2017年，同濟大學的林福等人在考慮電流諧波的基礎(chǔ)上，并與有限元軟件直接計算的結(jié)果對比。通過該模型計算可以提高了計算速度與精度[4]。2018年，重慶理工大學的王波研究殼體變形對電機磁固耦合分析的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)考慮定子變形前后，電機性能以及電磁力密度分布、幅值等均與未變形差別不大，因此在針對電機振動噪聲仿真時，殼體變形的影響可以忽略不計[9]。

2 電機結(jié)構(gòu)模態(tài)研究現(xiàn)狀

電機的模態(tài)研究目前主要有兩種研究方法：解析法與實驗法。解析法主要分為單、雙環(huán)型機電類比法，其計算方法具有簡單、快速的特點，但精度不高，在一些電機結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況，則很難精確計算。只能滿足一般的工程計算要求[10]。隨著有限元計算技術(shù)的發(fā)展，越來越多學者采用商業(yè)有限元軟件來進行電機模態(tài)的計算。2003年，F(xiàn). Ishibashi、K. Kamimoto等通過有限元方法對電機的模態(tài)進行了計算，并利用實驗對有限元進行了驗證。2011年，代穎、崔淑梅等研究了電機的定子總成、定子、整機等不同構(gòu)件對電機模態(tài)的影響[8]。2012年，張范輝、左曙光等學者在對目前普遍等效繞組研究方法上，系統(tǒng)地比較了6種不同的定子繞組的等效處理方式，并且將仿真結(jié)果通過與實驗對比，得到最符合實際模態(tài)情況的等效方式，并針對電機仿真模型進行優(yōu)化處理[12]；2017年，李曉華、黃蘇融等學者在考慮繞組端部的情況下進行模態(tài)仿真，利用該方法得到的結(jié)果與相較其他情況更為精確[10]。

3 電機聲輻射研究現(xiàn)狀

早期國外的學者研究電機的噪聲主要通過解析法來進行計算。但隨著研究水平的不斷加深，解析法計算越來越難處理一些復(fù)雜的工程要求，其計算精度也難以保證的。并且隨著有限元軟件計算的水平不斷進步，因此越來越多的人開始使用商業(yè)軟件來進行電機的振動噪聲計算。2011年，崔淑梅，于天達采用電磁學與聲學仿真軟件對永磁直流電機的噪聲進行了分析[9]。2013～2014年，Islam M以及李曉華通過有限元軟件對永磁同步電機的振動噪聲進行了仿真，可以精確預(yù)測電機的振動噪聲。2007 年，哈爾濱工業(yè)大學代穎對通過研究電機的模態(tài)與電磁力分布等，并對影響電機噪聲主要階次力波特征進行了降噪處理。2012年，上海交通大學的何鶴建立了電機電磁噪聲的三維邊界元模型。并通過在半消聲室中的噪聲試驗結(jié)果對比，建立的邊界元模型可以準確計算電機輻射噪聲的幅值和分布[11]。

4 總結(jié)與展望

總體而言，對于永磁同步電機的研究，國內(nèi)外學者仍以傳統(tǒng)的思路和方法為主并輔以CAE技術(shù)，基于電流控制及電驅(qū)動力總成整體的角度的研究較少，剛起步不久，在今后的研究中將會是一個趨勢。

[1] 曲榮海,秦川.電動汽車及其驅(qū)動電機發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2016,10(3):82-86.

[2] 齊輝,李永輝,段建剛. 電機噪聲的類別、分類方法以及防治措施的研究進展[J].微特電機,2007,(3):46-48.

[3] 王再宙,宋強,張承寧.電動汽車用電機噪聲分析和降噪方法初探[J].微電機(伺服技術(shù)),2006,39(7):62-63.

[4] 舒波夫.電動機的噪聲和振動[M].北京:機械工業(yè)出版社,1980:10- 25.

[5] Yang S J.Low-noise electrical motors[M].Oxford:Clarelldon Press, 2012.

[6] Zhu Z Q,Howe D.Instantaneous magnetic field distribution in brushl -ess permanentmagnet DC motors.II.Armature-reaction field[J].IEEE Transactions on Magnetics,1993, 29(1):136-142.

[7] 陳秋明,陳勇.永磁同步電動機電磁振動噪聲機理研究[J].微特電機,2013,41(8):1-5.

[8] 于慎波.永磁同步電動機振動與噪聲特性研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學,2006.

[9] R Islam,I Husain. Analytical Model for Predicting Noise and Vibra -tion in Permanent-Magnet Synchronous Motors[J].IEEE Transac -tions on Industry Applications,2010,46 (6) :2346-2354.

[10] 林福,左曙光,毛鈺等.考慮電流諧波的永磁同步電機電磁振動噪聲半解析模型[J].電工技術(shù)學報,2017,32(9):24-31.

[11] 王波.考慮殼體變形影響的電機磁固耦合振動分析[D].重慶:重慶理工大學,2018.

[12] 張范輝,左曙光,何呂昌,陳瑞峰.車用電機定子振動特性的影響因素分析及優(yōu)化[J].微特電機,2012,40(9):23-26.

Review of Research on Vibration and Noise of Permanent Magnet Synchronous Motors for Vehicles

Wang Gang, Wang Tao, Mu Baomao

( Chang an University, School of Automobile, ShaanXi Xi’An 710064 )

This article discusses the research status of vibration and noise of automotive permanent magnet synchronous motors in recent years at home and abroad from three aspects of electromagnetic force wave, motor structural modal, and motor sound radiation, and summarizes the research fields of vibration and noise of automotive permanent magnet synchronous motors The results provide a reference for the subsequent reduction of vibration and noise of permanent magnet synchronous motors and new energy vehicles.

Permanent magnet synchronous motor; Vibration and noise; New energy

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.061

U469.72

A

1671-7988(2021)04-199-02

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王剛，男，長安大學研究生，車輛工程專業(yè)，研究方向為車輛nvh技術(shù)。