【原创】2024年度永磁同步电机噪音原理及其改善方案概述

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 计算方法

（1）解析法：

空气中的电机定子辐射声功率可表示为：

I0指的是相对声音辐射强度的系数，ρ对应于空气的密度属性，c则为声音在空气中的传播速度。R 和 L 分别描绘电机定子外径与轴向延伸的长度，而wm指的是m阶振动的角频率特征，Ym 代表了定子表面在m阶振动下的形变程度。为了估算电机的相对声音辐射强度系数，可以依据不同的几何假设，如假设为无限大平面、球面、无限长圆柱或有限长圆柱等模型。这些模型的选择依据是电机的尺寸比例（特别是长径比）以及所适用的计算情境。

当电机尺寸庞大或满足2πR/λ>5的条件时，无限大平面模型较为适用；对于小型电机或远离电机表面区域的情况，球面模型则更为贴切。对于定子长径比较大的电机，理论上可视为无限长圆柱模型进行估算，然而，实际电机形态既非绝对长条形也非完全球形，更非无限延展的平面，因此，有限长圆柱模型成为了一个更为普遍的选择。当电机的尺寸关系满足2πR/λ>10时，对于1至6阶振动所引发的噪声辐射，其相对声音强度系数可近似视为1，这样的简化处理在多数情况下不会引起显著的误差。由此可推知，那些直径显著大于长度、外形偏于矮胖的电机，其声音辐射强度系数往往低于瘦长型电机。解析方法作为一种快速计算振动与噪声的手段，在较宽的转速范围内展现出其优势，但它对电机支撑状态的描述仅限于自由、简单固定等几种基本边界条件，难以全面反映电机实际运行中可能遇到的复杂边界情况，这在一定程度上限制了其计算精度。因此，解析法更适用于结构相对常规、配置简单的电机，而在面对复杂结构电机时，其计算结果可能产生较大偏差。此外，由于传统圆环模型在计算中忽略了定子齿的存在，这导致了在开槽电机电磁振动分析中的显著误差。

（2）数值法

数值法借助有限元软件对电机的振动与噪声进行仿真计算。相较于解析法，数值法能够纳入复杂的电机形状及安装条件，实现高精度计算，但耗时较长，且难以覆盖宽转速范围内的电机振动与噪声分析。具体步骤如下：利用电磁分析有限元软件，首先计算出电磁力密度。构建电机的3D结构有限元模型，并仿真得出电机的各阶结构模态。随后，将计算出的节点电磁力密度映射至3D结构有限元模型中，利用结构有限元软件，结合模态叠加法或完全法，进一步仿真电机的振动响应。将振动仿真中结构网格上的振动数据作为激励源，转换至声学网格，通过声场仿真软件来计算电机的辐射噪声。模态分析、振动仿真及噪声仿真的结果均可通过实验进行验证或评估。此外，为提升计算结果的准确性，建议采用整机结构的有限元模型进行模态与振动分析，并依据实际安装情况，合理设定约束条件及各部件间的接触方式。

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定子齿对气隙径向力的调制效应

在电机电磁振噪的广泛研究中，普遍认同气隙低阶径向力在电磁振动中占据主导地位，相比之下，高阶径向力由于其高阶特性，在振动与噪声分析中常被忽视。众所周知，电机振动源自施加于定子内表面的电磁力，其振动阶次与频率与电磁力的阶次和频率相一致。定子开槽导致结构不连续，进而造成定子上与气隙中的径向力存在差异。具体而言，定子上的径向力实际上是定子齿对气隙径向力的一种采样。不论是分布节点力还是经等效处理后的集中力，均会经历这一采样过程，且此过程受采样定理的制约。根据采样定理，电机的Qs个定子齿仅能展现Qs/2及以下阶次的振动形变。若气隙中的径向力阶次高于Qs/2，那么经过定子齿的采样后，其阶次将发生混叠，并以镜像对称的形式呈现为低阶径向力。即

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切向力对电磁振噪的影响

与径向力相比，切向力的幅值通常较小，如图所示。因此，径向力常被视作电机电磁振噪的主要诱因，研究焦点也相应集中于径向力及其诱发的电磁振噪上，而切向力对振噪的贡献则未获得充分关注。近年来，为更精准评估电机振噪特性，众多研究机构借助有限元仿真技术，从数值计算角度全面审视了径向力与切向力对振噪的共同影响，从而凸显了切向力的重要性。关于切向力导致电机定子径向振动形变的现象，早期研究多依赖于定子齿的杠杆效应进行解释，却鲜少深入探讨切向力的具体激振机制。

部分研究人员运用力传递理论，将定子齿端承受的切向力等效为定子轭部的一对径向力偶，如图所示，深入剖析了切向力引发径向振动的内在机制。在此基础上，他们设计并制造了仅考虑切向力作用的电机样机，通过有限元分析与实验验证，进一步巩固了上述理论分析的可靠性。

总之，切向力与径向力类似，同样存在幅值较大的谐波，在某些情况下，切向力对振动的贡献可与径向力相比拟。但需注意，根据力和传递函数幅值与相位的关系，切向力引发的振动与径向力引发的振动可能相互增强，也可能相互抑制。忽略切向力的影响，会错估电机的实际振动，在精确的电机振动分析中有必要考虑切向力的影响。

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电机本体结构优化

电磁振噪是径向力、切向力与电机本体结构共同作用的结果。切向力在产生转矩的同时，也引发了转矩脉动。电磁振噪的强度受电磁力各谐波的阶次、频率、幅值和相位的影响，而非直接由转矩脉动或齿槽转矩决定。设计永磁同步电机（PMSM）电磁性能时，转矩脉动与齿槽转矩是重要考量，尽管其抑制策略已获广泛研究，但减少转矩脉动常需调整电机结构参数，这会导致气隙磁场及电磁力谐波的变化。因此，抑制电磁振噪需采取综合措施，不仅限于控制转矩脉动，还应削弱引发低阶振动的电磁力，并调整结构模态频率，以优化电机本体结构。其中，削弱径向力是核心方法。通过调整对电磁敏感的参数，如槽开口宽度、气隙长度、极弧系数、永磁体厚度及隔磁桥等，可有效降低对振动影响显著的径向力谐波幅值，同时这些调整对电机结构模态的影响较小。利用多目标优化算法，可确定这些参数的最佳组合，从而在降低电磁振噪的同时，保持甚至提升电机的转矩性能。以V型转子PMSM为例，通过优化转子隔磁桥结构，可改变定子齿部的电磁力分布，显著降低电机的电磁振噪，而不对其电磁性能造成负面影响。

通过斜极或斜槽等方式，也可以削弱引起振动的主要径向力，降低电磁振噪。定转子斜槽或斜极后，径向力会沿电机轴向产生相移，降低平均径向力幅值。斜极有连续斜极和分段斜极，常用的分段斜极方式有线性斜极、V 字形斜极、交错斜极等，可选择合适的转子斜极分段数、斜极方式、斜极角度来抑制引起振动的主要电磁力谐波，降低振噪，但斜槽或斜极可能带来附加的1阶轴向电磁力和扭转力矩。也可通过永磁体削角、改变永磁体极宽、开槽、优化定子齿或转子形状来削弱径向力幅值，在不牺牲电机电磁性能的前提下，削弱引起电磁振动的主要低阶径向力。此类方法也可用于降低转矩脉动。还可以通过在槽开口处放置磁性槽碶以降低电磁力高频成分，抑制电机振动。

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降低振噪控制策略

优化电枢电流、合理调整开关频率、优化控制策略等方式，是另外抑制振噪的方案。

（1） 抑制低阶振噪

针对低阶电磁力引发的振噪问题，可采用谐波注入法有效抵消对振噪有显著影响的电磁力谐波，从而降低电机振噪。例如某款车用PMSM的严重振噪问题，技术人员深入分析了0阶12倍电频率处电磁力波对振噪的贡献，并创新性地通过向定子绕组注入13次谐波电流，有效削弱了该频率下的电磁振噪。下图展示了在2000r/min转速下的仿真结果，直观显示谐波电流注入显著降低了12倍电频率处的振动加速度。进一步实验也证实了该方法在全转速范围内对噪声的抑制效果。此外，还提出了一种从单频次到多频次谐波电流注入的径向力补偿模型，旨在更全面地控制振动。为避免注入的谐波电流对径向高次振动谐波产生不利影响，研究团队又开发了一种顺序振动抑制方法，实现了对各偶次低阶振动谐波的综合有效抑制。

（2）抑制高频振噪

针对PWM产生的高频噪声，一方面，若为多相电机，可以调整多相电机绕组间的PWM 脉冲配合关系，使多套绕组间的高频电磁力相互抑制，降低高频噪声；另一方面，可以采用扩频调制技术抑制开关频率及其倍频处的高频噪声。扩频调制依据能量守恒原理，通过改变开关频率、脉冲宽度或脉冲位置，使振动和噪声信号的能量尽量分散到更广的频段，从而降低电磁噪声的功率谱幅值。

常用扩频技术包括周期开关频率、随机开关调制、随机脉冲位置调制和随机零矢量调制等。周期开关频率与随机开关频率调制摒弃了传统的固定开关频率技术，转而使开关频率周期性变化或在一定范围内随机变化。随机零矢量调制通过随机分配电压零矢量的持续时间来实现脉冲宽度的随机化；而随机脉冲位置调制则使脉冲位置在控制周期内随机变动。载波类型、扩频宽度及调制系数均直接影响开关频率及其倍频附近的谐波分量，进而对扩频效果产生作用。

通过优化PWM载波频率的时间序列，可以使电磁力幅值与电机振动频响函数成反比，从而削弱振动谱中的某些局部峰值，达到抑制高频振动的目的。但需要注意的是，周期频率调制在有效抑制高频噪声的同时，可能会加剧电机的低频振动。随机脉宽调制或调整初始开关状态也是降低高频噪声的有效手段。相较于传统正弦脉宽调制，随机脉宽调制能将噪声幅值降低约40%。然而，调整初始开关状态虽能消除开关频率及其奇数倍频的高频谐波，但对偶数倍频处的谐波则无显著效果。为克服这一缺陷，可将随机脉冲位置与随机开关频率的优点结合，创造出混合随机PWM调制技术。该技术不仅能显著抑制奇数倍频噪声，对偶数倍频噪声的抑制效果也等同于随机开关频率调制。

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针对PMSM的多样化电磁性能需求，定子齿的设计可灵活采用诸如容错型、非等宽、分裂式或复合混合等多种构型。这些不同形态的定子齿不仅塑造了电机的独特性能，还深刻影响着气隙中的电磁力分布，使得调制过程不再局限于传统模式，而是可能展现出双重、非均匀等多样化的调制特性。尽管关于定子齿如何影响径向电磁力调制的初步研究已有所成就，但深入探索其背后的力学机制，并进一步拓展至对切向电磁力调制的分析，将是提升PMSM电磁振动与噪声评估精度的重要途径。

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容错PMSM因其高可靠性而备受关注与研究。当电机遭遇不同类型故障时，需采取差异化的容错控制策略。在此容错状态下，负载电流的变化势必引发磁场谐波与电磁力的变动，进而导致振动与噪音水平的变化。如何在确保转矩稳定输出及有效抑制转矩脉动的同时，改善振动与噪音性能，成为亟待深入探索的课题。若能将扩频调制技术与容错控制策略巧妙融合，创新性地提出新型控制方法，以实现容错状态下的振动与噪音抑制，这无疑将是一个重要的技术突破。

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目前，电机噪声的评价与抑制主要聚焦于A计权声压级。但是A计权声压级并未全面反映PWM调制引入的边频噪声对电机声品质的负面影响。随着新能源汽车行业的迅猛发展，声品质评价的重要性日益凸显，已超越单纯的A计权声压级考量。未来技术人员将深入研究PMSM在匀速运行及瞬态工况下的声品质特性，旨在提出一种融合声品质优化的新型控制策略。这一策略致力于改善PMSM的声品质，以充分满足市场对新能源汽车不断提升的NVH（噪声、振动与声振粗糙度）性能需求。