于莫岩，刘　茜，陈　勇，高　星

(河北工业大学 新能源汽车研究中心，天津　300000)

0　前　言

永磁同步电机是一种具有较高运用价值的电机类型，可广泛应用到汽车工业等。在具体的工作中，永磁同步电机的变频器供电产生大量的谐波电流，并对气隙磁场造成影响，进而造成大量的谐波磁场。谐波磁场会对径向力的波幅与阶次的造成影响，甚至会造成径向力波频率与永磁同步电动机产生共振，导致电动机振动和噪声增加[1-4]。基于此，本文展开对基于阶次分析的永磁同步电动机噪声源识别展开分析，研究具体噪声源识别内容，详细如下。

1　永磁同步电机噪声实验及分析

针对永磁同步电机的基本情况，展开对永磁同步电机噪声实验分析，实验的目的是，在多工况条件下，对永磁同步电机的噪声信号进行测定，并对具体噪声特征进行研究，为发生机理分析提供基础。现本文以某一具体型号的永磁同步电机为研究对象，其具体参数如下表1所示。

表1　某一具体型号永磁同步电机参数

在确定研究对象后，对测试台展开分析，具体的测试台结构如下图1所示，按照图1所构建的测试台，保障电机转轴与测功机相连接，并借助夹紧片对定子进行固定，具体固定到的位置在定位圈。且转轴的2端通过轴承支撑在支座上，为避免测试现场声音过于巨大，测试中运用隔音罩进行隔音。

图1　测试台布置方式

测试台布置完成后，对测试台的工况进行分析。首先，为保障测试信息的可靠性，需要合理的对噪声测试点进行布置，本文主要在距离电机中心正上方350 mm处布置测试点，促使测试点能够对永磁同步电机噪声进行测定，减少外界因素的干扰。具体的永磁同步电机噪声源识别，可在稳定工况下展开，也可识别加速等工况下的噪声情况。额定状态下，测试台及永磁同步电机的负载扭矩为2.7 N·m，且额定转速为3 600 r/min，促使永磁同步电机保持额定转速转动，由噪声测点完成对噪声识别与采集。对于加速工况的噪声信号采集的具体流程为：保持电机负载扭矩不变，并使得永磁同步电机的转速控制在1 500 r/min，再调整逐渐对永磁同步电机的转速进行增加，逐渐增加到5 000 r/min，并采集这一过程的数据信息。经过测试分析，可以得到如下几点结论，分别为：

1)永磁同步电机噪声存在明显的阶次特性，含有偶数阶谐波噪声、对应噪声峰值频率为电源频率的偶数倍；2)变频器开关频率9 000 Hz为中心，附近存在显著峰值；3)还存在大量奇数阶与分数阶谐波噪声。

通过对额定工况下噪声与加速工况下噪声的研究，可以分析加速工况下噪声阶次以9 000 Hz为中心，且向两侧移动，当两者的频率重合时，选择额定工况下噪声信号进行识别，不利于对两种阶次特征的识别[5]。此外，加速工况下，噪声信号有助于观测永磁同步电机的共振区域。故此，文章主要选择加速工况的噪声展开噪声源识别。借助上述加速工况下噪声，可得到加速工况下永磁同步电机噪声A计权声压级时频图，详细如下图2所示。

图2　加速工况下永磁同步电机噪声A计权声压级时频

结合上图，可实现对噪声的分类，总共可分为5类噪声，分别为分数阶噪声，6k阶噪声、6k±1和6k±2噪声、以开关频率(9 000 Hz)为中心的噪声阶次、共振噪声。上述5类噪声在永磁同步电机加速工况下，均有所存在。且可以发现，永磁同步电机噪声阶次越高，对电机噪声的贡献也越大。

2　噪声阶次特征分析

2.1　噪声阶次特征产生机理

为了解具体造成永磁同步电机噪声，本文对其产生机理展开理论分析。

1)气隙磁势

先假定相关条件，包括磁路不饱和、磁性条件为线性，铁芯的磁阻干扰忽略，定子槽为矩形或梯形，且存在h次时间谐波电流[6]。且能够得到具体永磁体的磁场分布情况，详细如下图3所示。

图3　永磁体磁场分布情况

再进一步研究分析，可得到具体的气隙磁势的具体表达式，如下公式(1)所示。

(1)

2)气隙磁导

开槽主要以2种方式影响，包括减少了每极磁通，可引入卡特系数Kc，还对永磁体的气隙内磁场分不到造成影响，展开详细研究与分析，其中，磁导函数，可选择如下公式(2)描述。

(2)

3)气隙磁通密度

结合h次时间谐波电流的永磁同步电机气隙磁通密度的基本情况，可以得到f(θ，t)与λ(θ)之间存在明显联系，即为b(θ，t)=f(θ，t)×λ(θ)。通过进一步计算，可对具体的磁通密度频率进行求解。

4)径向力波与径向集中电磁力

可以得到径向集中电磁力的频率与径向力波的频率相同，且可得到6阶代数精度。详细如下公式(3)所示。

(3)

5)永磁同步电机声辐射与阶次频率分析

永磁同步电机在实际的工作中，外转子受到径向力波的影响，导致振动的产生，进而造成永磁同步电机噪声产生[7]。根据永磁同步电机的基本情况，可选择有限长圆柱形声辐射模型进行声功率计算，详细为：

(4)

上述模型中，ρ0表示介质密度，C表示介质中的传播速度，lcL(ωr)则用于描述相对声强系数。且可以得到外转子振动与径向力波的频率相同，并发现定子上的特征频率与外转子的振动频率相同。进一步分析，可以发现永磁同步电机电磁振动与噪声特征频率处的幅值与激励源和定转子结构之间存在明显关联，且由二者固有特性决定，如果激励源频率与固有频率相接近，则可诱发振动，最终造成大噪声的产生。

2.2　不同影响因素下电磁激励阶次特征分析

结合上述内容分析后，了解到永磁同步电机噪声特征的基本影响因素，进一步研究了几种影响因素下电磁激励阶次特征。

2.2.1理想条件下的电磁力阶次特征

所谓理想条件下，即为在加速工况下，永磁同步电机不发生偏心，且三相电流为正弦波。在这种情况下，可借助麦克斯韦应力张量法，则可对径向力波进行推算，详细公式为(5)所示。

(5)

公式中，Pr用于描述理想状态下的径向力波，brs用于描述气隙磁密，μ0表示真空磁导率。永磁同步电机加速工况下，气隙磁场涵盖永磁体及绕组所产生的磁场，且2种磁场均为旋转磁场。其会随着时间及空间变化而产生变化，定子开槽对气隙磁场的空间分布具有影响，为实现修正，可借助气隙比磁导实现[8]。本文选择6极9槽永磁同步电机，其符合文中气隙磁势所假定的相关条件，故此，在具体的气隙磁势、气隙磁导、气隙磁通密度等的计算中，均可按上述模型展开计算和分析。此外，由于开槽对磁密的频率特征无影响，故此，在具体的径向力阶次特征分析时，可将开槽因素忽略。经过进一步研究可以发现，理想条件下，径向力波的频率特征与电流基频之间存在联系，且为偶数倍。结合加速工况下的测定结果，可发现6极永磁同步电机，其6k阶包含，6、12、18…78等，其噪声主要来源均为永磁体和电流基波磁密作用下的电磁激励。

2.2.2电流谐波诱发的电磁力阶次特征

当前，永磁同步电机多以变频器供电，其可达到电机调速的目的，并实现节能效果。本文所选择永磁同步电机是以变频器供电。但是，具体的变频器供电中，其电流波形发生变化，不再是正弦波。电流夹杂着大量的电流谐波。这些谐波的存在，使得电磁力的频率复杂化，并增强了永磁同步电机相关结构共振的几率。故此，在实施永磁电机噪声的实验中，需要展开对电机相电流的监控工作。如下图4所示，为加速工况下的电机相电流情况。

图4　加速工况下的电机相电流情况

结合上图，可以将电机的电流谐波归结为2大类，分别为电流基频的(6k±1)倍电流谐波，涵盖幅值5、7、11、13次谐波，另外一种，则是以开关频率(9 000 Hz)为中心对称分布的频率类型，如fc±2f0等。进一步分析，可以发现频率为fn的电流谐波的径向力波的频率特征为nf0±fn。从而可以得到具体的电磁谐波产生的主要径向力波阶次，且可以发现，以开关频率为中心对称分布的频率类型，可在频率特征为nf0±fn中发现，故此，可对电流谐波阶次进行调整，可调整为fc±af0或是fc±(a+1)f0。

2.2.3转子动态偏心诱发的电磁力特征

永磁同步电机在实际的生产制造中，可能会受到一些因素的影，导致永磁同步电机出现制造失误。或是，实际安装过程中，存在安装失误，轴承磨损等因素等。这些因素的影响均可能会导致转子发生偏心。具体的偏心情况，如下图5所示。

图5　转子偏心情况

上图5中，清晰的展示了转子偏心的情况，其中偏心距为ed。并发现，永磁同步电机出现动态偏心后，气隙的长度会发生变化。这种情况下，会造成额外频率的径向力波。为实现对其的消除和控制，可通过引入修正系数的方式进行修正。再对具体动态偏心下的径向力波进行分析和计算，并可以发现由转子动态偏心所产生的空间低阶径向力波，会对永磁同步电机造成影响，进而导致噪声增加的情况[9-11]。且具体造成的径向力波的特征为6k±1与6k±2，与图1中的7、8、17等均源自于动态偏心。

3　永磁同步电机固有特性及噪声贡献量分析

结合永磁同步电机噪声实验，可以发现具体的噪声中，存在明显的“固定区域”噪声，这部分噪声则可理解为源自于结构共振产生的噪声。为对其进行识别，并为降噪提供参考，需要对永磁同步电机展开模态分析，详细如下。

3.1　定子有限元分析

结合定子和转子的基本情况，且发现定子表面无法安装速度传感器，则无法对已安装的定子展开模态实验。故此，可通过有限元分析的方式，构建定子有限元模型，并模拟约束条件。分别对定子铁芯及定子总成的模态实验。等效后的定子铁芯及总成的模态频率与实际频率之间尽管存在误差，但误差处于1%～5%之内，可以符合工程误差标准，说明定子有限元模型符合实际情况，可用于约束条件下的模态参数预测。

对于约束条件下的模态参数分析，由于定子在圆弧边夹紧片夹紧，故此，可将接触处施加约束完成安装后的条件模拟。如下图6所示，则为约束条件得到具体频率情况。

图6　振型及频率

且可发现，模态频率处于图1的1 180～1 389 Hz、3 200～3 425 Hz、2 411～2 882 Hz几个共振区域内，均可理解为共振对应的定子模态。噪声源即为共振。

3.2　转子模态分析

本文选择的永磁同步电机为6极9槽电机，其在发生转子偏心后，会产生一阶不平衡磁拉力。且当转速达到5 000 r/min后，具体的频率为167 Hz。同样对转子展开有限元模态分析，且能够得到电机在整个转速运行范围内，未出现转子的共振。说明噪声贡献最大的为定子模态，转子模态的影响相对较低。

此外，还存在一些噪声源不够明显的共振区，且与转子和定子模态无关，故此，可将其推测为夹具或台架本身的固有特性。

在具体的噪声贡献分析中，发现永磁体磁场和低阶次电流谐波所产生的噪声和以开关频率为中心分布的高频噪声的贡献最大，动态偏心所产生的噪声相对较小。

4　结　语

本文研究分析基于阶次分析的永磁同步电机噪声源识别展开研究。文章先对具体永磁同步电机的噪声实验展开研究，得到具体永磁同步电机的噪声情况。并在此基础上，进一步对噪声阶次特征产生机理及不同影响因素下噪声阶次的特征展开研究，对电流谐波产生的噪声，以开关频率为中心的电磁噪声等展开研究，转子动态偏心噪声展开研究，确认几种永磁同步电机的噪声源。对共振区噪声展开分析，实施转子、定子模态有限元分析，确认具体共振中定子为主要噪声源。最后，明确不同噪声源噪声贡献。从而为永磁同步电机的降噪和节能提供参考，发挥永磁同步电机的功能性与可靠性。