新能源汽車永磁同步電機(jī)振動噪聲問題研究綜述

秦 臻 黃月芹 林偉健 尹 帥

（柳州工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,廣西 柳州 545000）

為降低二氧化碳的排放量，汽車技術(shù)加速朝著電動化、輕量化和智能化方向發(fā)展。在政策和市場雙重利好的情況下，過去幾年我國新能源汽車市場異?；鸨尸F(xiàn)井噴的狀態(tài)，每年銷量增速超過100%，明顯領(lǐng)先于美國和歐洲等地區(qū)。隨著新能源汽車進(jìn)一步走入人們的生活，人們對新能源汽車的要求也在不斷提高，其中對整車的振動噪聲性能要求更為苛刻。由于新能源汽車沒有發(fā)動機(jī)的噪聲，驅(qū)動電機(jī)的噪聲會顯得更加明顯。因此，降低新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的振動與噪聲在整車NVH（noise、Bibration、harshness）研究中顯得尤為重要。永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高、啟動轉(zhuǎn)矩恒定、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，已逐漸成為電動汽車驅(qū)動電機(jī)的首選。但隨著汽車的輕量化設(shè)計，又使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度變差，徑向電磁力波幅值增大，導(dǎo)致電機(jī)的振動和噪聲明顯[1]。

1 永磁同步電機(jī)噪聲分類

永磁同步電機(jī)的噪聲產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，與多個物理場相關(guān)，且涉及的學(xué)科廣泛，包括電磁學(xué)、機(jī)械振動、聲學(xué)等眾多學(xué)科。根據(jù)電機(jī)噪聲的產(chǎn)生方式，可以將其分為3種：電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動力噪聲[2-3]。

1.1 電磁噪聲

目前普遍認(rèn)為，電磁振動是導(dǎo)致電機(jī)電磁噪聲的主要原因，而電磁振動是以電磁力波為能量源，由電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子共振而產(chǎn)生。因此，以電磁力波為分析對象，降低電磁力波的激振影響是降低電機(jī)噪聲的重要解決途徑[4]。

1.2 機(jī)械噪聲

電機(jī)本身的制造裝配工藝誤差產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子不平衡，電機(jī)在使用一段時間后導(dǎo)致的軸承磨損，以及本體固有頻率匹配不合理導(dǎo)致的共振現(xiàn)象，均是電機(jī)機(jī)械噪聲產(chǎn)生的原因。轉(zhuǎn)軸中心線與轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心線不重合，會引起轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率及倍數(shù)頻率的旋轉(zhuǎn)噪聲，并伴隨有一階振動出現(xiàn)[5]。

1.3 空氣動力噪聲

空氣動力噪聲主要是由電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時機(jī)座內(nèi)腔氣體壓力的急劇變化和氣流與流經(jīng)通道的摩擦所產(chǎn)生，通常隨氣流傳播[6]。大部分車用永磁同步電機(jī)采用水冷，無風(fēng)扇，故可以認(rèn)為空氣動力噪聲的貢獻(xiàn)可以忽略。

當(dāng)前研究表明，從產(chǎn)生機(jī)理、處理難度、噪聲占比等方面來說，電磁噪聲的處理起著至關(guān)重要的作用。

2 電機(jī)電磁噪聲研究現(xiàn)狀

多年來，國內(nèi)外許多學(xué)者以電磁噪聲的產(chǎn)生機(jī)理為切入點(diǎn)，比較深入地研究了引起電機(jī)電磁振動噪聲的各種因素，包括電磁力波的特性、定子的模態(tài)特性，以及由電磁力引起的聲輻射特性。韓國學(xué)者Hong-Seok Ko（2004）認(rèn)為電磁振動源有3類：齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動和徑向力波，其中貢獻(xiàn)最大的是徑向力波[7]。美國的Rakib Islam等（2010）研究并分析了永磁同步電機(jī)的噪聲和振動，并認(rèn)為根源是徑向力引起的電磁振動而不是切向力引起的轉(zhuǎn)矩脈動[8]。對于電磁噪聲的研究，首先要準(zhǔn)確地描述電機(jī)電磁力波的特性。目前，電磁力的常用分析計算方法主要分為解析計算法和有限元法。

解析計算法所得結(jié)果為解析表達(dá)式，能深入地分析電機(jī)的內(nèi)在規(guī)律，但建模過程復(fù)雜。1985年，S.J.Yang提出了計算電磁力波的磁勢乘磁導(dǎo)法[9]。2013年，我國的陳永校教授也對電磁力的解析計算進(jìn)行了深入的研究，推導(dǎo)了永磁同步電機(jī)的電磁力波與氣隙磁場的表達(dá)式。經(jīng)過一系列的研究，磁勢乘磁導(dǎo)法最終被學(xué)者們廣泛采用，該計算方法簡單省時，但對實際的氣隙磁密分布僅給出了一個近似值，并且含有相近次數(shù)的磁導(dǎo)和磁動勢諧波，但其分析精度較低，不能很好地分析電機(jī)飽和、開槽和轉(zhuǎn)子運(yùn)動對電磁力波的影響[10]。

隨著計算機(jī)信息技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的研究人員開始采用有限元法對電機(jī)的振動噪聲進(jìn)行研究。2012年，申秀敏等建立了電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型，并進(jìn)行了有限元模態(tài)仿真計算，得到了定子結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率和振型，發(fā)現(xiàn)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的前六階模態(tài)頻率較低，電機(jī)空載工況在調(diào)速過程中所激發(fā)的電磁力容易引起電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的共振[11]；2017年，同濟(jì)大學(xué)的林福等人建立了考慮電流諧波的模型，相比于有限元軟件的直接計算，該模型在計算速度與精度上得到了較大的提升[12]。2018年，同濟(jì)大學(xué)的牛治東等通過研究電動汽車的混沌動力學(xué)特性，建立了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對混沌時間序列進(jìn)行預(yù)測，利用Wolf方法計算得到最大李雅普諾夫指數(shù)，發(fā)現(xiàn)振動加速度信號存在混沌運(yùn)動[13]。目前，我國采用有限元法分析電磁力波的還不多見，尚處于起步階段。

3 電機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)研究現(xiàn)狀

模態(tài)參數(shù)可以由計算或?qū)嶒灧治霁@得，獲取參數(shù)的分析過程即模態(tài)分析。模態(tài)分析是近代研究結(jié)構(gòu)動力特性的常用方法，是系統(tǒng)辨別法在振動和噪聲領(lǐng)域中的應(yīng)用[14]。目前，驅(qū)動電機(jī)模態(tài)分析的常用研究方法有數(shù)值模態(tài)分析和實驗?zāi)B(tài)分析。分析方法具有簡單、計算量小、精度低等優(yōu)點(diǎn)。隨著電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加，其計算精度已不能滿足工程要求。隨著計算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者采用有限元方法對電機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析計算。采用試驗與理論相結(jié)合的模態(tài)分析方法，對電機(jī)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識別、分析和評價，找出電機(jī)結(jié)構(gòu)動力性能存在的問題，根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)固有頻率的模態(tài)分析結(jié)果，對電機(jī)的電磁噪聲進(jìn)行預(yù)測和控制[15-16]。1986年，合肥工業(yè)大學(xué)的黃禮文用模態(tài)分析法對電機(jī)定子鐵芯的振動進(jìn)行了分析，利用現(xiàn)代傅里葉系數(shù)及其專用的模態(tài)分析設(shè)備，準(zhǔn)確地測出了定子鐵芯的模態(tài)固有頻率、模態(tài)阻尼系數(shù)和模態(tài)振型[17]。2003年，F(xiàn).Ishibashi、K.Kamimoto等采用有限元方法計算了電機(jī)的模態(tài)[18]，并對結(jié)果進(jìn)行了驗證。2018年岳東鵬等對電機(jī)定子機(jī)殼的模態(tài)進(jìn)行了仿真，在得到電機(jī)前五階的模態(tài)振型及固有頻率的基礎(chǔ)上，運(yùn)用聲學(xué)仿真軟件建立了電機(jī)的聲學(xué)有限元網(wǎng)格，將電機(jī)的電磁力與電機(jī)模態(tài)網(wǎng)格進(jìn)行耦合，求解電機(jī)的電磁振動與噪聲，得到電機(jī)電磁噪聲在不同頻率下的聲場聲壓分布[19]。2012年，同濟(jì)大學(xué)的張范輝等學(xué)者在ANSYS有限元分析軟件中建立了定子結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型[20]，并基于此模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使振動噪聲性能改善的同時還達(dá)到了輕量化設(shè)計的目的。

4 電機(jī)聲輻射研究現(xiàn)狀

早期，國內(nèi)外學(xué)者主要通過分析方法來對電機(jī)噪聲進(jìn)行研究。然而，隨著工程要求和研究水平的不斷提高，分析結(jié)果越來越難以滿足實際工程要求。同時，隨著有限元方法的普及和計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，商業(yè)有限元分析軟件逐漸被廣大研究人員所采用。

1989年浙江大學(xué)的諸自強(qiáng)等認(rèn)為，電機(jī)的聲輻射模型相當(dāng)于一個長圓筒，根據(jù)電機(jī)表面振動速度和表面附近空氣的聲壓，計算電機(jī)的輻射聲功率，具有公式簡單、計算方便、省時等優(yōu)點(diǎn)[21]。1992年，諸自強(qiáng)等將有限元法與傅立葉級數(shù)分析相結(jié)合，計算了電機(jī)輻射聲功率，這種方法考慮了端蓋對輻射功率的影響，在當(dāng)時具有重要意義[22]。2019年，牛寧基于殼體理論簡化電機(jī)定子結(jié)構(gòu)為內(nèi)部圓柱殼，建立了帶肋圓柱自由振動模型，并驗證了該模型的精確性。

5 總結(jié)與展望

本文對車用永磁同步電機(jī)噪聲的分類，以及常用的降噪減振方法，即電磁噪聲、結(jié)構(gòu)模態(tài)以及電機(jī)表面聲輻射三個方面的研究情況進(jìn)行了分析與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)將永磁同步電機(jī)的各物理場耦合后綜合分析振動噪聲的研究較少。后續(xù)的研究可以考慮將電磁、結(jié)構(gòu)、聲學(xué)結(jié)合，展開多物理場的耦合分析。本文為后續(xù)的新能源汽車永磁同步電機(jī)振動噪聲研究提供了參考和借鑒。