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电机振动噪声基础

2022-02-22 23:26:58·  来源：中车浩夫尔动力总成  
　
电机振动噪声基础WCHP基础技术科普系列在碳达峰、碳中和背景下，新能源汽车行业迎来新的发展机遇。电动汽车较传统的燃油车碳排放具有明显优势，因此也受到越来越
电机振动噪声基础
WCHP基础技术科普系列
在碳达峰、碳中和背景下，新能源汽车行业迎来新的发展机遇。电动汽车较传统的燃油车碳排放具有明显优势，因此也受到越来越多关注，同时也提出了更高要求。
电动汽车的动力总成主要有电机、减速器、电控三大部件组成。相比于传统的燃油车发动机，动力总成中的电机、齿轮噪声主要分布在高频区域，尤其是电机噪声处在人耳敏感的区域，严重影响乘客的驾驶体验。因此电机噪声的控制也成为了动力总成NVH控制中的重要课题。
本文将围绕电机振动噪声做一些简单介绍。
01、电机噪声
EM noise
图1 电动汽车动力总成示意图
1.1 电机噪声分类
电机振动噪声研究较为复杂，涉及到如电磁学，电控理论，机械振动，物理声学、心理声学等多个学科。根据电机噪声的来源，电机的噪声主要有三种：
- 电磁噪声：电磁噪声由电磁力振动引起。气隙磁场产生的电磁力引起定子振动而辐射噪声；
- 机械噪声：转子机械不平衡引起离心力所产生的机械振动和噪声，轴承振动噪声等；
- 空气噪声：主要是冷却风扇产生，水冷和油冷电机无空气噪声。
图2 电机噪声分类
1.2 电机噪声源
电机运行时气隙中存在基波磁场和一系列的谐波磁场，电机气隙中磁场相互作用产生随时间和空间变化的电磁力，使定子铁心和机壳随时间周期性变形。电磁噪声主要是由于定子的振动使周围空气脉动而引起气载噪声。根据Maxwell应力公式可知，电磁力与磁密的平方成正比。因此凡是能引起基波及谐波磁场的因素对电磁噪声均有贡献。从电机设计的角度来看，气隙磁密非正弦、转子偏心（气隙不均匀）、三相电流不对称、PWM电流及磁场畸变等因素对气隙电磁力均有影响。
图3 电机噪声源
1.3 振动学基础
电磁振动噪声由电磁力引起，属于机械振动的范畴，只是由电磁力激发。传统的机械振动理论完全适用电磁振动的分析。电机电磁噪声与力波的幅值，空间阶次、频率和定子的振动特性直接相关，从单自由度系统出发研究电机噪声的影响因素，振动系统由MCK组成，M（质量），C（阻尼），K（刚度）。MCK均为理想部件，M(质量)不考虑阻尼和刚度，C（阻尼）不考虑质量刚度，K（刚度）刚度不考虑质量和阻尼。
图4 振动系统基本部件
· 1.3.1 单自由度系统数学模型
振动中将阻力称为阻尼，例如摩擦阻尼、电磁阻尼、介质阻尼和结构阻尼。尽管已经提出了许多数学上描述阻尼的方法，但是实际系统中阻尼的物理本质仍然极难确定。最常用的阻尼力学模型是粘性阻尼。
图5 单自由度系统受迫振动
公式1 单自由度系统数学模型（比例阻尼模型）
图6 单自由度系统幅频特性和相频特性
当外界激振力的频率与系统固有频率接近时，振幅明显增加，出现共振现象。
· 1.3.2 多自由度系统数学模型
连续系统由无穷多个质点组成，可以理解成有无穷个自由度。离散系统由若干个离散的质点组成，一般质量点的个数等于自由度数。
图7 多自由度系统
公式2 多自由度系统数学模型（比例阻尼模型）
从多自由系统的位移公式可以看出共振需要两个条件：
1.4 电机内的电磁力
磁致伸缩振动发生在与麦克斯韦振动相同的频率，因此不可能在振动谱上区分它们。此外，很难量化麦克斯韦和磁致伸缩的贡献。一般认为磁致伸缩对低频噪声的贡献有限，对低频（<1500Hz）有影响。

表1 电机内电磁力
图8 齿尖电磁力示意图

公式 3 电机气隙磁场和气隙电磁力
公式 4 电磁力数学形式
受到电机定子开槽影响，定子内圆的电磁力不是连续分布。在电机电磁力分析时通常取气隙电磁进行研究，通过2D-FFT分析可以得到电磁力的时空特性。

图9 电磁力2D-FFT分解
图10 电磁力波力形
通过对电磁力理论和2D-FFT电磁力分析，可以发现电磁力的基本规律，空间阶次、时间阶次 、P电机极对数。电机的电磁振动位移与空间阶次4次方成反比，因此通常关注0阶电磁力。
02、电机定子模态
EM Stator modal
中车某款定子产品
电机振动噪声研究依旧依循源-路径-接受者的分析思路，前面介绍了电机内的电磁力，下面对噪声的路径展开介绍，主要是结构件-电机定子的模态。
模态是指系统固有的结构特性，包含固有频率、阻尼振型。通常借助力波的形状和阶次来定义对应形状的定子振动模态和固有频率的阶次。
电机定子可以简化成具有一定厚度的圆筒。定子的振型主要有两组，径向振型和轴向振型，这里忽略切向振型。
图11 圆筒振型
对电机振动和噪声而言比较重要的是研究轴向0阶（n=0），并以径向振动为主且阶次较低的振型，尤其是径向阵型m=0的径向模态。
图12 电机定子径向模态
电机振动分析中，阻尼对定子模态和固有频率的影响很小，通常不考虑。但是阻尼决定了共振时的振幅。电机的阻尼特性较为复杂，通常依靠实验。
03、电机振动计算
EM vibration calculation
电机运行时，气隙中交变的电磁力波作用于定子铁心，使之周期性变形，即发生振动。振动的频率就是径向力波的频率，此外电机的结构决定其固有频率，当电磁力的频率接近或等于系统的固有频率会发生明显的共振现象，电磁噪声明显增加。在分析时将定子铁心简化成单环的形式，只考虑轭部变形，定子齿和绕组作为附加质量。
从上式可以看出，非零阶电磁力产生的位移与m的四次方成反比，因此通常关注2阶次以下的电磁力，重点关注0阶电磁力。
04、电机噪声计算
EM noise calculation
电机由于受到电磁力的作用产生振动，传播到周围空气，引起空气质点的振动产生声波。当声音的频率在20~20khz之间，被人耳感知，就是电磁噪声。
相对声强辐射系数是描述结构振动与声传播耦合的参数。总之，较大的振动振幅产生更多的噪声并不是绝对的，而是振动与声学系统之间的相互作用，取决于声源形状，尺寸，频率，轴向和径向模态。相对声强辐射系数的计算较为复杂，对于无限次长圆柱体辐射系数如图13：
图 13 无限长圆柱体相对声强辐射系数
从数学的角度分析影响电机噪声的因素：
  • 声功率与辐射面积成正比
  • 声功率与相对声强辐射系数成正比
  • 声功率与振动速度的平方成正比
  • 声功率与阻尼负相关
  • 同频率下与位移平方成正比
  • 同位移下与频率平方成正比
  • 减小电机噪声措施：
  • 减小辐射面积
  • 减小辐射系数
  • 增加阻尼
  • 减小电磁力
  • 增加质量
  • 增大固有频率
  • 改变固有频率，避免共振
由于电磁力成分及电机结构的复杂性，解析计算难以获得满意的计算精度。成熟商业化有限元软件如ANSYS提供了无缝的电磁-结构-声场解决方案。
图14 电机噪声仿真流程
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