一、永磁同步電機特點

作為新能源汽車三大系統(tǒng)之一的電驅(qū)系統(tǒng)，肩負著將電能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動車輛行駛的重任，因此這個系統(tǒng)存在大量的運動部件，是噪音的生產(chǎn)大戶。電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由電動機、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、各種檢測傳感器以及電源等部分構成，永磁同步電機因其高效率、高轉(zhuǎn)矩密度和優(yōu)秀的控制性能，已被廣泛應用于驅(qū)動系統(tǒng)。電機的噪聲主要有機械噪聲、電磁噪聲和空氣噪聲，其中電磁噪聲頻率較高，占比最大。在新能源汽車的駕駛環(huán)境中，高頻電磁噪聲將直接影響駕駛者和乘客的舒適度。另外，電磁振動還可能對電機自身的可靠性和壽命產(chǎn)生影響。因此，優(yōu)化永磁同步電機的電磁噪聲是新能源汽車技術研究的重要方向之一。

二、 電磁噪音產(chǎn)生的原因

永磁同步電機電磁噪聲的生成原理是一個錯綜復雜的物理過程，它涉及電場、電磁場、機械作用以及聲音傳播等多個因素。高頻電磁噪聲的主要成因包括兩個方面：首先是由逆變器導致的電樞繞組中的電流諧波；其次是電機內(nèi)部結(jié)構所引發(fā)的電磁場諧波。變頻逆變器的工作原理基于脈寬調(diào)制技術，通過周期性快速切換開關狀態(tài)來模擬目標輸出電壓。然而，這種操作方式產(chǎn)生的非正弦波形輸出、開關設備的高速切換特性，以及為防止短路而設置的死區(qū)時間，均會引入電流諧波。當逆變器為電動機提供動力時，這些電流諧波會傳導至電動機的電樞繞組，進而產(chǎn)生電樞反應諧波磁場。電樞反應諧波磁場與永磁體諧波磁場之間的相互作用，以及在電機結(jié)構特性的影響下，形成了具有時間和空間雙重屬性的氣隙磁場。這種氣隙磁場包含了不同空間階次和時間頻率的磁密諧波成分，這些磁密間的相互作用最終導致了電磁力諧波的產(chǎn)生。電磁力諧波可以分解為使電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的切向電磁力和使定子鐵心發(fā)生形變的徑向電磁力，如下式:

式中: BR( θ，t) ，BT( θ，T ) 分別為氣隙磁密的徑向分量和切向分量; M0為真空磁導率。徑向電磁力的幅值遠大于切向電磁力。定子鐵心的周期形變會帶動電機外殼和空氣一起發(fā)生周期振動，從而在空氣中產(chǎn)生聲學噪聲并向外輻射，噪聲產(chǎn)生機理如圖所示。

電磁力波引起的振動和噪聲不僅與力波幅值有關，還與力波階數(shù)有關，力波階數(shù)越低，所引起的振動和噪聲越大。當電磁力波的振型和頻率與定子系統(tǒng)自然模態(tài)振型和頻率接近時會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，激發(fā)較大的電磁噪聲，在電機設計階段要避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。

三、 噪音的計算方法

永磁同步電機的振動噪聲計算可以采用多種方法，包括數(shù)值法、解析法以及半解析法。數(shù)值法主要依賴于先進的有限元分析軟件，通過精細的建模來應對復雜的幾何形狀和邊界條件，從而確保計算結(jié)果的高精度。然而，由于數(shù)值法涉及龐大的計算數(shù)據(jù)量，因此計算時間往往較長。相比之下，解析法能夠在較寬的速度范圍內(nèi)迅速計算出振動和噪聲的數(shù)值，但其局限性在于僅能通過有限的三種邊界條件來描述電機的支撐狀態(tài)，對于結(jié)構復雜的電機，這種方法可能會導致顯著的誤差。為了克服這兩種方法的局限性，半解析法應運而生，它結(jié)合了數(shù)值法和解析法的優(yōu)點，通常通過數(shù)值法來計算電磁力，然后利用解析模型來預測振動和聲輻射，從而在保證計算效率的同時，也提高了計算精度。

在建立永磁同步電機輻射電磁噪聲的準確模型時，多個因素會對模型的精確性產(chǎn)生干擾。實驗表明，為了確保模型的準確性，進行模態(tài)分析時，必須充分考慮到端蓋、散熱器以及與機器安裝底座相連的部分。除非定子繞組的質(zhì)量在整體結(jié)構中占據(jù)顯著比例，否則其影響通?？梢院雎圆挥?。另外，由于轉(zhuǎn)子的諧振頻率遠低于定子的諧振頻率，因此當分析整體聲壓和定子振動時，轉(zhuǎn)子的貢獻往往可以忽略。在模態(tài)阻尼的選擇上，更傾向于采用單個模態(tài)阻尼比而非平均模態(tài)阻尼比，以更精確地反映實際情況。為了進一步提高計算的精確度，建議在模型中引入夾緊或簡單支撐的邊界條件。為了克服傳統(tǒng)建模方法的局限性，研究院人員提出了一種基于齒建模的高精度解析方法。該方法將齒的集中力作為激勵源來計算振動，避免了用力密度計算時可能忽略的高階電磁力對低模態(tài)振動的影響。通過疊加所有齒力激發(fā)的振動，可以準確地計算出電機表面的總振動加速度。此外，另一種有效的方法是將實驗獲得的結(jié)構傳遞函數(shù)與從靜磁有限元分析中獲得的磁力矢量相結(jié)合。這種方法能夠精確地預測電機的振動響應，無需構建復雜的結(jié)構有限元模型，從而避免了建模過程中可能出現(xiàn)的錯誤。同時，它還能夠清晰地識別出結(jié)構傳遞函數(shù)和磁力時空分量對振動響應的貢獻。

盡管目前的研究主要聚焦于由徑向電磁力引發(fā)的噪聲，但切向電磁力在電機聲學性能的研究中同樣不容忽視。切向電磁力不僅驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)，同時也可能成為噪聲的潛在來源。例如，高空間階氣隙力中的開槽效應能夠誘發(fā)振幅較大的低模態(tài)定子振動。在存在這種效應的電機中，切向電磁力引起的振動幅度大約相當于徑向電磁力引起振動的一半。此外，定子齒的杠桿效應也是一個值得關注的因素。它使得非零階次的切向電磁力也能產(chǎn)生振動，并且這種振動的幅度會隨著空間階次的增加而逐漸降低。這種振動特性與徑向力引起的振動有著相似之處。另一個值得關注的點是轉(zhuǎn)矩的變化。轉(zhuǎn)矩的波動不僅會導致電機和支架產(chǎn)生振動，還會對基座施加不穩(wěn)定的力矩，從而激發(fā)整個系統(tǒng)的振動。

四、 噪音的優(yōu)化方案

針對永磁同步電機 電磁噪聲產(chǎn)生的原因，可以將優(yōu)化策略大致分為三類: 一是設計時避開和定子模態(tài)類似的振型與頻率，避免共振產(chǎn)生; 其次是降低低階次電磁力幅值，減小激勵源，進而降低噪聲; 最后是增加系統(tǒng)阻尼，減小聲輻射傳遞效率。

1、 避開共振頻率帶

當一個系統(tǒng)受到與其固有頻率相匹配的外部周期性激勵時，系統(tǒng)的振動響應會顯著增加。在設計階段可以通過改變極槽配合、機殼參數(shù)、轉(zhuǎn)子偏心、逆變器載波頻率等調(diào)整關鍵階次電磁力波頻率和定子的固有頻率，從而避免兩者振型和頻率接近而產(chǎn)生共振。

在傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制中，逆變器的輸出諧波功率峰值主要集中在開關頻率及其整數(shù)倍附近。為了減輕這些問題，隨機脈寬調(diào)制策略被引入，它能有效減少開關頻率及其整數(shù)倍下的電磁振動和噪聲，并降低逆變器輸出端濾波器的尺寸。隨機脈寬調(diào)制可分為隨機開關頻率脈寬調(diào)制、隨機脈沖位置脈寬調(diào)制和隨機開關脈寬調(diào)制，每種都基于不同的隨機性方式。然而，傳統(tǒng)的隨機脈寬調(diào)制無法針對性地消除特定頻率的諧波。

為此，研究人員提出了以下改善方案：

（1）通過連續(xù)掃頻調(diào)整高次注入諧波電流的頻率，分散頻譜能量，有效改善電機的高頻振動和噪聲問題。這種方法避免了振動和噪聲集中在特定頻率，從而防止了共振和高頻噪聲的產(chǎn)生。

（2）采用與載波相位偏移相關聯(lián)的雙分支三相永磁同步電機方案。并聯(lián)逆變器具有載波移相Π的特性，使得奇數(shù)階載波諧波和相關電流諧波在2個三相繞組中反向流動，從而有助于消除奇數(shù)階PWM頻率振動，但偶數(shù)階載頻振動仍需進一步處理。

（3）實施隨機脈寬調(diào)制選擇性頻譜整形控制策略，通過抵消輸出電壓傅里葉級數(shù)中的前后項，選擇性地消除特定頻率的諧波。這種策略不僅能抑制開關頻率整數(shù)倍附近的振動和噪聲，還能針對性地減少其他頻率下的電磁振動和噪聲。

2、降低電磁力波幅值

氣隙中的電磁力波是導致電機產(chǎn)生振動噪聲的主要激勵源，通過對定子、轉(zhuǎn)子、氣隙及永磁體的拓撲結(jié)構和尺寸進行深入的系統(tǒng)優(yōu)化，不僅可以調(diào)整電磁力的諧波含量，而且能顯著地減弱其幅值。在永磁同步電機 轉(zhuǎn)子表面優(yōu)化矩形開槽的位置，可實現(xiàn)高達70%的48 次諧波徑向力下降。

研究人員對特定型號的8極48槽永磁同步電機進行了振動噪聲性能的詳細評估。通過分析，他們發(fā)現(xiàn)增強定子的堅固性以及減小低階次電磁力的大小，可以有效地對電機的振動噪聲產(chǎn)生積極影響。選擇恰當?shù)姆蔷鶆驓庀对O計，可以顯著降低氣隙磁場的波形畸變程度，使得反電動勢波形更接近正弦波的形狀，從而優(yōu)化了空載時氣隙磁密的波形，并因此減弱了電機的振動。這種非均勻氣隙的結(jié)構已在圖中進行了展示。當氣隙磁場接近正弦分布時，研究人員還推導出了非均勻氣隙間距的近似數(shù)學表達式。

目前，各大研究機構紛紛提出了創(chuàng)新的方案以改善永磁同步電機的性能：

（1）利用響應面算法對永磁體的位置和角度進行精細調(diào)整，旨在不犧牲平均轉(zhuǎn)矩的同時顯著降低噪聲水平。

（2）構建了一個精確的永磁同步電機多物理場電磁振動噪聲預測模型，并基于該模型提出了兩種優(yōu)化策略。首先，通過調(diào)整齒槽寬度和永磁體圓角半徑，有效地削弱了徑向電磁力幅值，這一方法對特定頻率的峰值噪聲有顯著效果；其次，采用轉(zhuǎn)子分段斜極和連續(xù)斜極的設計，優(yōu)化了徑向電磁力沿軸向的分布相位，這種方法在應對多個頻率峰值噪聲時表現(xiàn)得更為出色。

（3）在槽口處安裝磁槽楔，此舉間接增大了齒的有效截面積，同時使氣隙中的磁通量分布更為均勻，從而減少了氣隙中的諧波，有效抑制了磁場引發(fā)的振動。

（4）在磁鋼層數(shù)的設計上，選擇3層或2層磁鋼層數(shù)有利于抑制電機的振動噪聲。此外，對3層磁鋼電機的磁鋼槽端部進行削角處理，以及在2層磁鋼電機的轉(zhuǎn)子側(cè)開設對稱的隔磁孔，均能進一步降低噪聲水平。這些隔磁孔的結(jié)構已在圖中詳細展示。

3、 降低聲輻射傳遞效率

通過改進定子與機殼的配合方式、繞組灌封工藝，以及調(diào)整定子尺寸參數(shù)，我們成功提升了系統(tǒng)的阻尼值，顯著降低了定子振動在傳播至空氣時的強度，從而實現(xiàn)了噪聲的大幅降低。目前，采用這類方法的研究較少。為增大阻尼，我們提出了一種在開關磁阻電機的定子和機殼之間插入碳素彈簧鋼片的方案。實驗發(fā)現(xiàn)，這種方案通過板簧的張力和厚度對振動水平產(chǎn)生了顯著影響，尤其在高速運轉(zhuǎn)時，對噪聲的抑制效果更為突出。此方案旨在減少定子到外殼的振動傳遞，同時也適用于永磁同步電機。

五、 結(jié)語

在實際應用中，考慮到不同使用場景和成本，可以靈活組合不同的優(yōu)化策略。特別是在電機噪聲優(yōu)化的過程中，需注意這可能影響其他性能指標。我們不僅要關注噪聲降低的效果，還需確保電機的轉(zhuǎn)矩、效率、溫升等關鍵參數(shù)保持均衡，以實現(xiàn)整體性能的優(yōu)化。未來，預計將深入探索以下三個方向：

1、開發(fā)更精確和先進的建模與計算方法，以應對更復雜和精細的噪聲優(yōu)化挑戰(zhàn)。當前建模方法常忽略細微之處，且在計算過程中有時會忽視特定非線性因素，這導致仿真結(jié)果與實際的噪聲表現(xiàn)存在偏差。

2、融合人工智能、機器學習與控制算法，使系統(tǒng)能夠根據(jù)實時輸入和環(huán)境變化自動調(diào)整行為，實現(xiàn)實時響應和全速域的噪聲優(yōu)化。

3、研發(fā)新型高性能材料，并提升制造工藝與裝配工藝，旨在提升電機性能并降低噪聲。