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「技術(shù)」永磁同步電機噪聲源分布一探究竟

2018-03-03 18:21:39·  來源：汽車NVH之家  
　
永磁同步電機由于其高功率密度和高效率的特點得到了越來越廣泛的應用，尤其是加工容易、容錯性能好等一系列優(yōu)點，近幾年在新能源汽車領域有著壓倒性的市場占有率，因此，分析該類電機的噪聲問題成為電動車Benchmark測試中一項重要的工作，而小編對永磁同步電機的噪聲源分布也極為感興趣，今天就帶著大家來一探究竟。

永磁同步電機由于其高功率密度和高效率的特點得到了越來越廣泛的應用，尤其是加工容易、容錯性能好等一系列優(yōu)點，近幾年在新能源汽車領域有著壓倒性的市場占有率，因此，分析該類電機的噪聲問題成為電動車Benchmark測試中一項重要的工作，今天就帶著對永磁同步電機的噪聲源分布一探究竟。

對于永磁同步電機（以下簡稱電機）的噪聲來說，無非是以下兩類：

1、機械噪聲
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動不平衡、軸承等因素造成；

2、電磁噪聲
定子內(nèi)表面的電磁力，轉(zhuǎn)子偏心及電流諧波等因素造成。

下面以一個6極9槽永磁同步電機為例，逐步解析其噪聲源。噪聲測試點布置在離電機中心正上方35cm處，采集加速工況的過程如下：先將電機穩(wěn)定在1500r/min，然后勻加速上升至5000r/min，測得如下階次圖。



根據(jù)上圖，可將其主要的噪聲分為以下5類（圖中數(shù)字與下列噪聲序號對應），然后就由兩位噪聲源大哥來認領各自的兄弟了。

1) 分數(shù)階噪聲：幅值比較大的包括3.2和4.8階噪聲；
2) 6、12、18、24、30、36、42、48、54、60、66、72和78階噪聲；
3) 7、8、17、19、20、35、37、38和43階噪聲；
4) 以開關(guān)頻率（9000Hz）為中心的階次噪聲，主要有：（k=1、2、3和4）
5) 共振噪聲：比較明顯的共振區(qū)域分三段：1180~1389Hz、2411~2822Hz和3200~3425Hz。

下面就通過分析將上述五種噪聲進行來源歸類。

機械噪聲

直觀想，電機內(nèi)部的滾動軸承是機械噪聲源之一。



上圖中軸承常見的階次噪聲包括外圈的通過頻率，表征滾珠通過內(nèi)滾道時產(chǎn)生的沖擊特征，通常由以下公式表達（以下公式省略一萬字…）總而言之，根據(jù)電機所用軸承屬性，計算得到對應的外圈通過頻率為4.8階和3.2階，因此，第①類噪聲屬滾動軸承階次噪聲。

再者，能看到上述第⑤類噪聲，表現(xiàn)為頻率區(qū)間，顯然是由其他階次噪聲對應的激勵頻率與結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率靠近而引起的共振輻射的噪聲，能量較高，占電機噪聲的主導。

電磁噪聲

1 氣隙磁場等貢獻徑向力波引起電磁噪聲
首先，一般來講，電機的徑向力波是引起電磁噪聲的主要原因之一，本文中所述例子采用6極9槽電機，根據(jù)公式推導（依舊省略一萬字…），理想條件下的徑向力波的頻率特征為電流基頻的偶數(shù)倍，即為極數(shù)的整數(shù)倍，也就是6k階，因此，上述第②類6、12、18、24、30、36、42、48、54、60、66、72和78階噪聲為永磁體磁密和電流基波磁密作用下的電磁激勵。

2 電流諧波引起電磁噪聲
其次，目前的調(diào)速永磁電機大多采用變頻器供電，其作用下的電流波形不再是理想的正弦波，而是存在大量的電流諧波，也使得電磁力的頻率更加的復雜，通過對測試過程中的電機相電流進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)一種電流諧波以開關(guān)頻率為中心對稱分布，即上述第④類噪聲。

3 轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心引起電磁噪聲
電機由于制造誤差、安裝誤差及軸承磨損等原因會使得轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心，如下圖所示：



轉(zhuǎn)子偏心以后會造成這樣的問題：氣隙長度隨時間變化，這就會引起新的頻率的徑向力波，產(chǎn)生新的電磁噪聲。經(jīng)過計算（以下省略一萬字…），可得出如下結(jié)論：
動態(tài)偏心會產(chǎn)生額外的徑向力波的頻率成分，針對于6電機而言，可以表述為：和階，即上述第③類噪聲。

總而言之，電機噪聲源包括機械噪聲與電磁噪聲，機械噪聲主要是由軸承等機械部件的振動以及電機本身的模態(tài)問題引起；電磁噪聲主要是由電機內(nèi)部徑向力波的頻率引起的，徑向力波的頻率又與轉(zhuǎn)子的偏心，氣隙長度以及電機自身變頻的供電方式產(chǎn)生的諧波有關(guān)。 
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