新能源汽车中永磁同步电机的电磁激励振动与噪声控制技术研究

随着环保和节能需求的不断增加，新能源汽车在全球范围内迅速发展。作为新能源汽车的核心部件，永磁同步电机（PMSM）因其高效率和优越的性能而被广泛应用。然而，电机运行过程中产生的振动和噪声（NVH）问题，对车辆的舒适性和用户体验产生了显著影响。特别是电磁激励振动成为了振动和噪声的根本原因。通过有限元仿真和数值分析，研究者能够计算电机内电磁力的分布，并推导出径向力的解析式。本文将结合新能源汽车的NVH测试，探讨PMSM的电磁激励振动与噪声控制技术。

永磁同步电机的振动噪声来源

1. 电磁激励振动

电磁激励振动是PMSM振动和噪声的主要来源。电机在运行过程中，由于定子和转子之间的电磁相互作用，会产生周期性的电磁力。这种电磁力作用于电机的定子和转子，引起机械结构的振动，进而产生噪声。

产生机制

电磁力波动：定子绕组中的电流产生的磁场与转子永磁体的磁场相互作用，形成电磁力。这种电磁力在空间上呈现周期性分布，形成电磁力波。电磁力波的频率与电机的运行频率相关，如果电磁力波的频率与电机部件的固有频率一致，就会引起共振，产生较大的电磁振动。

气隙磁场不均匀：电机气隙中的磁场分布不均匀，会导致电磁力的周期性变化，从而引起振动。

控制措施

优化电磁设计：通过有限元仿真（FEA）优化电机的电磁设计，确保气隙磁场的均匀分布，减少电磁力波动。

降低齿槽转矩：采用分数槽绕组设计和优化槽形，减少齿槽效应，降低齿槽转矩，从而减少电磁振动。

电磁屏蔽技术：在定子和转子之间增加电磁屏蔽层，减少电磁场干扰，降低电磁振动。

2. 机械振动

机械振动是由于电机内部的机械部件在运行过程中受到周期性力的作用而产生的。机械振动的主要来源包括转子不平衡、轴承振动以及电机装配误差等。

产生机制

转子不平衡：转子的质量分布不均匀会导致电机在高速旋转时产生离心力，从而引起机械振动。

轴承振动：轴承在工作过程中，由于滚动体和保持架的相互作用，会产生固有的振动频率。

装配误差：电机装配过程中产生的同轴度误差、端盖和定子错位等，都会导致机械振动的增加。

控制措施

转子动平衡校正：通过精密动平衡设备对转子进行动平衡校正，确保转子的质量分布均匀，减少旋转时的离心力。

高质量轴承选用：选用低噪声、高精度的轴承，并定期维护和润滑，确保轴承的稳定运行。

严格的装配工艺：在电机装配过程中，采用精密的工装夹具，严格控制各部件的同轴度和配合公差，减少装配误差带来的机械振动。

3. 空气动力噪声

空气动力噪声主要是由于电机转子在高速旋转过程中，与周围空气介质相互作用产生的气流噪声。这种噪声通常表现为高频噪声，其特征频率与电机转子的转速成正比。

产生机制

空气动力噪声的产生主要与电机的冷却系统、转子形状及其旋转速度有关。冷却风扇在高速旋转时，会产生较大的空气扰动，导致空气动力噪声的产生。此外，电机转子表面的凹凸不平和旋转时的气流切割也会增加空气动力噪声。

控制措施

优化设计冷却风扇：通过采用低噪声风扇叶片设计，如斜角叶片和不等距叶片，可以有效减少冷却风扇的气流噪声。

转子表面平滑处理：对转子表面进行精细加工，减少表面的粗糙度，从而减小空气阻力和气流噪声。

空气动力学优化：通过计算流体动力学（CFD）模拟，优化电机内部和外部的空气流动路径，减少涡流和气流分离现象。

新能源汽车NVH测试技术

在新能源汽车的开发过程中，NVH（Noise, Vibration, Harshness）测试是一项重要的评估指标。通过NVH测试，可以有效识别和分析电机及其驱动系统的振动和噪声源，从而采取针对性的控制措施。

1. NVH测试设备

振动测试仪：用于测量电机及其组件的振动频率和幅值，分析振动源。

噪声测试仪：用于测量电机运行过程中产生的空气动力噪声和机械噪声。

电磁场分析仪：用于测量电机内部的电磁场分布，分析电磁振动的产生原因。

2. 测试方法

模态分析：通过激励电机结构，测量其振动响应，分析电机的固有频率和振型。

频谱分析：对电机运行过程中产生的振动和噪声进行频谱分析，识别主要的振动和噪声源。

道路模拟测试：将电机安装在整车上，通过模拟实际道路行驶工况，测量整车的振动和噪声水平。

电磁力分布与径向力解析

近年来，随着计算能力和仿真技术的发展，通过有限元仿真和数值分析，研究者已经能够准确计算电机内部的电磁力分布，并推导出径向力的解析式。这些研究为深入理解电磁激励振动的机制提供了理论基础。

1. 有限元仿真

通过有限元仿真，可以模拟电机内部的电磁场分布，计算不同工况下电磁力的大小和分布情况。仿真结果可以用于指导电机的电磁设计，优化气隙磁场分布，减少电磁力波动。

2. 数值分析

通过数值分析，可以推导出电机径向力的解析式。这些解析式可以用于快速评估不同设计参数对电磁力的影响，指导电机设计优化。例如，不同极槽配置对齿槽转矩的影响可以通过数值分析进行评估，从而选择最优的极槽配置，降低电磁振动。

永磁同步电机作为新能源汽车的核心驱动部件，其电磁激励振动和噪声问题对整车的NVH性能有着重要影响。通过优化电磁设计、提高机械部件精度以及改进空气动力设计，可以有效降低PMSM的振动和噪声水平。同时，结合先进的NVH测试技术，可以对电机的振动和噪声源进行精确识别和分析，进一步提升电动汽车的舒适性和用户体验。在未来的电动汽车开发中，PMSM的电磁激励振动与噪声控制技术将继续发挥重要作用，为新能源汽车的普及和推广提供有力支持。