永磁同步電機；振動噪聲的案例
電機振動噪聲建模分析：基于Motor-CAD的永磁同步電機E-NVH仿真分析（單一工況點噪聲）
目前，新能源汽車電機的噪聲問題變得越來越突出，電機的電磁振動噪聲是設計人員研究的熱點問題，而電磁振動噪聲的激勵源電磁力波至關重要。本文基于Motor-CAD對永磁同步電機進行電磁振動噪聲（E-NVH）仿真分析，為永磁同步電機的E-NVH分析提供理論依據，并為永磁同步電機的E-NVH提供優化途徑。
Motor-CAD是全球領先的新能源汽車電機選型分析及設計軟件，用于新能源汽車電機的選型匹配，優化設計，競品分析，拆解分析等。開發至今，已被全球主要的整車生產企業、電機生產商、科研機構及高校等廣泛使用。
Motor-CAD集成化軟件包，可在選型、設計階段高效地對電機進行電磁和熱性能測試；軟件包括：電磁（EMag）、熱（Therm）、機械模塊（Mechanical）和虛擬實驗室（Lab）四個模塊，可在幾分鐘內精確評估電磁、熱和電磁振動噪聲特性。
本例以一臺48S8P永磁同步電機為例，對電機的電磁噪聲進行仿真分析。通過Motor-CAD中的Mechanical模塊對電機E-NVH進行仿真分析，為后續的降噪方案提供思路。下圖所示電機的Motor-CAD模型圖，內置式永磁同步電機，具體的結構參數設置在此不再贅述。
展開 淺談新能源汽車NVH—永磁同步驅動電機徑向電磁力致噪聲的來龍去脈
如圖1所示，沒有了發動機的掩蔽效應，電驅動和電控系統噪聲成為主要噪聲源，且其中高頻的特性使得聲品質的關注度大幅上升。且隨著驅動電機朝著寬調速區間、更高轉速、輕量化等方向的發展，給電機的NVH性能開發帶來了更多的挑戰。電機的NVH涉及的知識較為交叉，一些概念容易被混淆從而加大理解的難度，本文將針對永磁同步電機徑向電磁力致噪聲，力求用直白的描述簡略地介紹清楚其中的機理。
圖1.傳統燃油車和新能源車的NVH問題分布
1 本文討論范圍的界定
驅動電機噪聲可以大致分為機械噪聲、電磁噪聲、氣動噪聲（液冷則無），其中電磁噪聲機理相對復雜，聲品質較差，常表現為高頻的嘯叫，容易引起人們的不適，電磁噪聲是本文討論的范疇。
電機電磁噪聲是由電磁力引起，其中電磁力可以分為麥克斯韋力和磁致伸縮力，一般情況磁致伸縮力的噪聲貢獻較小，本文只討論麥克斯韋電磁力；按照電機的結構，一般將電磁力分為切向力和徑向力，切向電磁力一般會導致轉矩波動，進一步帶來振動噪聲，而徑向電磁力會導致定子振動從而向結構傳遞振動和向空氣輻射噪聲，如圖2所示。限于篇幅，徑向電磁力導致的永磁同步電機定子振動噪聲是本文討論的對象。
展開 淺談新能源汽車NVH—永磁同步驅動電機徑向電磁力致噪聲的來龍去脈
如圖1所示，沒有了發動機的掩蔽效應，電驅動和電控系統噪聲成為主要噪聲源，且其中高頻的特性使得聲品質的關注度大幅上升。且隨著驅動電機朝著寬調速區間、更高轉速、輕量化等方向的發展，給電機的NVH性能開發帶來了更多的挑戰。電機的NVH涉及的知識較為交叉，一些概念容易被混淆從而加大理解的難度，本文將針對永磁同步電機徑向電磁力致噪聲，力求用直白的描述簡略地介紹清楚其中的機理。
圖1.傳統燃油車和新能源車的NVH問題分布
1
本文討論范圍的界定
驅動電機噪聲可以大致分為機械噪聲、電磁噪聲、氣動噪聲（液冷則無），其中電磁噪聲機理相對復雜，聲品質較差，常表現為高頻的嘯叫，容易引起人們的不適，電磁噪聲是本文討論的范疇。
電機電磁噪聲是由電磁力引起，其中電磁力可以分為麥克斯韋力和磁致伸縮力，一般情況磁致伸縮力的噪聲貢獻較小，本文只討論麥克斯韋電磁力；按照電機的結構，一般將電磁力分為切向力和徑向力，切向電磁力一般會導致轉矩波動，進一步帶來振動噪聲，而徑向電磁力會導致定子振動從而向結構傳遞振動和向空氣輻射噪聲，如圖2所示。限于篇幅，徑向電磁力導致的永磁同步電機定子振動噪聲是本文討論的對象。
展開 超高速永磁同步電機振動噪聲分析
超高速永磁同步電機（PMSM）具有轉速高、徑向力波階數低等特點，但定子易共振引發較大噪聲。以1臺超高速PMSM為例，依據電機實際尺寸，建立了電機電磁場模型和定子結構的3D模態模型。采用有限元法對該電機的徑向電磁力進行仿真，分析了引起電機振動的主要電磁力諧波次數，確認了電機電磁噪聲的主要來源。最后,通過ANSYS聲場的聲壓級云圖研究了超高速PMSM的電磁噪聲特性。
超高速永磁同步電機振動噪聲分析
劉朋鵬, 王建輝, 韋福東
[上海電器科學研究所(集團)有限公司,上海 200063]
0 引 言
采用超高速永磁同步電機（PMSM）驅動的壓縮機具有效率高、體積小、功率密度大等優點，在燃料電池中得到了廣泛的應用。但超高速PMSM轉速高，電機徑向力波階數低，輕量化的結構設計導致定子剛度較差易共振引發較大噪聲，影響壓縮機的使用體驗，因此在超高速PMSM設計時不僅需要考慮電機的電磁性能指標，還需要關注電機的振動噪聲特性[1-3]。
電機的振動噪聲伴隨電磁、結構、力學和聲場等多個領域錯綜復雜的耦合關系，是一個復雜的多物理場問題。為了對電機進行準確的噪聲分析，國內外許多學者已進行了研究[4-5]。
展開 
永磁同步電機振動噪聲機理 ￥6.5
對異步電動機來講，其輕載效率很低，而永磁同步電動機在輕載區，仍能保持較高的效率。
04 可靠性高
從電機本體來對比，永磁同步變頻調速電機與異步電機的可靠性相當，但由于永磁同步電機結構的靈活性，便于實現直接驅動負載，省去可靠性不高 的減速箱；在某些負載條件下甚至可以將電機設計在其驅動裝置的內部，如風力發電直驅裝置，石油鉆機的絞車驅動裝置，從而可以省去傳統電機故障率高的軸承： 大大提高了傳動系統的可靠性。
05 體積小，功率密度大
永磁同步變頻調速電機體積小，功率密度大的優勢，集中體現在驅動低速大扭矩的負載時，一個是電機的極數的增多，電機體積可以縮小。還有就 是：電機效率的增高，相應地損耗降低，電機溫升減小，則在采用相同絕緣等級的情況下，電機的體積可以設計的更小；電機結構的靈活性，可以省去電機內許多無 效部分，如繞組端部，轉子端環等，相應體積可以更小。
06 其它優勢
永磁同步電動機還具有高啟動轉矩、啟動時間較短、高過載能力的優點，可以根據實際軸功率降低設備驅動電動機的裝機容量，節約能源同時減少固定資產的投資。永磁同步電動機控制方便，轉速恒定，不隨負載的波動、電壓的波動而變化，只決定于頻率，運行平穩可靠。由于轉速嚴格同步，動態響應性能好，適合變頻控制。永磁同步電動機的安裝外形尺寸符合IEC標準，可以直接替換三相異步電動機，防護等級可以做到IP54和IP55，個別廠家還生產防爆型永磁同步電動機。
展開 永磁同步電機電磁振動噪聲自動優化
1 前言
當前新能源汽車電機電磁振動噪聲，越來越受到電機開發人員的關注。如何快速定位噪聲源，優化電機振動噪聲成為突出問題。
MANATEE(Magnetic Acoustic Noise Analysis Tool for Electrical Engineering)是法國EOMYS工程開發的電機振動噪聲仿真設計工具，是全球唯一一款專門應用于電機電磁-振動-噪聲耦合分析設計工具。專注于計算由麥克斯韋電磁力波引起的振動噪聲。軟件包括電力電子驅動模塊、電機電磁模擬模塊、機械模擬模塊以及噪聲模擬模塊、變速計算模塊、多物理場耦合模塊、優化模塊等。能夠快速計算評估電機從0啟動至上萬轉轉速運行過程的振動噪聲狀態（20~20000Hz人感官范圍）。
由于電機電磁振動噪聲機理復雜，難于定位，很難找到噪聲源。本文從另外一個角度對電機的電磁振動噪聲進行優化。遺傳算法是一種搜索最優方案的算法，本文利用遺傳算法，實現電機的多參數優化電機電磁振動噪聲。
2 基于MANATEE的電機電磁振動噪聲優化
MANATEE所用遺傳算法為：NSGA2改進型遺傳算法。
Step one：在OP_InManatee_prob.m文件中設置遺傳算法計算參數
OP_InManatee_prob.m文件
在此文件中主要設置的參數為：初始種群數、進化迭代次數、目標函數文件等。
展開 永磁同步電機電磁振動噪聲自動優化
1 前言
當前新能源汽車電機電磁振動噪聲，越來越受到電機開發人員的關注。如何快速定位噪聲源，優化電機振動噪聲成為突出問題。
MANATEE(Magnetic Acoustic Noise Analysis Tool for Electrical Engineering)是法國EOMYS工程開發的電機振動噪聲仿真設計工具，是全球唯一一款專門應用于電機電磁-振動-噪聲耦合分析設計工具。專注于計算由麥克斯韋電磁力波引起的振動噪聲。軟件包括電力電子驅動模塊、電機電磁模擬模塊、機械模擬模塊以及噪聲模擬模塊、變速計算模塊、多物理場耦合模塊、優化模塊等。能夠快速計算評估電機從0啟動至上萬轉轉速運行過程的振動噪聲狀態（20~20000Hz人感官范圍）。
由于電機電磁振動噪聲機理復雜，難于定位，很難找到噪聲源。本文從另外一個角度對電機的電磁振動噪聲進行優化。遺傳算法是一種搜索最優方案的算法，本文利用遺傳算法，實現電機的多參數優化電機電磁振動噪聲。
2 基于MANATEE的電機電磁振動噪聲優化
MANATEE所用遺傳算法為：NSGA2改進型遺傳算法。
Step one：在OP_InManatee_prob.m文件中設置遺傳算法計算參數
OP_InManatee_prob.m文件
在此文件中主要設置的參數為：初始種群數、進化迭代次數、目標函數文件等。
展開 永磁電機的振動噪聲
文章發布：上海安世亞太官方訂閱號（搜索：PeraShanghai）
聯系我們：021-58403100
作者：白增程 沈陽安世亞太公司仿真應用工程師
對于永磁電機電磁噪聲的研究，近年來的研究熱點主要圍繞在四個方面：
定子電磁力影響研究
轉子電磁力影響研究
電機本體結構優化技術研究
控制方法抑制電機電磁噪聲研究
定子電磁力影響研究
電機中的定子電磁噪聲主要受兩方面的因素影響，電磁激振力和相應激振力引起的結構響應及聲輻射，以下對引起噪聲的定子電磁力的解析表達及相應的振動和聲輻射的研究情況進行綜述。
英國謝菲爾德大學的Z.Q.Zhu教授等運用解析法：
對永磁電機定子電磁力及其噪聲進行研究，
對永磁無刷電機電磁力進行理論研究，
對10 極 9 槽的永磁無刷直流電機的振動噪聲進行研究，
理論上研究了電磁力與定子齒寬間的關系，
同時分析了轉矩脈動與振動噪聲優化結果間的關系。
沈陽工業大學的唐任遠教授、宋志環提供了完整的解析方法研究永磁電機內的電磁力及其諧波，為進一步的永磁電機噪聲理論研究提供了理論支持。圍繞正弦波和變頻器供電的永磁同步電機進行電磁振動噪聲源的分析，對氣隙磁場、法向電磁力和振動噪聲的特征頻率進行研究，產生轉矩脈動的原因進行分析，其次運用有限元對轉矩脈動進行仿真并加以實驗驗證，同時分析了不同槽極配合情況下的轉矩脈動，以及氣隙長度、極弧系數、削角、槽口寬度等對轉矩脈動的影響。
電磁徑向力和切向力的模型，并進行了相應的模態仿真，對電磁力和振動噪聲響應進行了頻域分析和聲輻射模型的分析，并進行了相應的仿真和實驗研究，其指出永磁電機定子主要模態如圖所示。
展開 永磁電機的振動噪聲
白增程
沈陽安世亞太公司仿真應用工程師
對于永磁電機電磁噪聲的研究，近年來的研究熱點主要圍繞在四個方面：定子電磁力影響研究，轉子電磁力影響研究，電機本體結構優化技術研究，控制方法抑制電機電磁噪聲研究。
定子電磁力影響研究
電機中的定子電磁噪聲主要受兩方面的因素影響，電磁激振力和相應激振力引起的結構響應及聲輻射，以下對引起噪聲的定子電磁力的解析表達及相應的振動和聲輻射的研究情況進行綜述。
英國謝菲爾德大學的Z.Q.Zhu教授等運用解析法對永磁電機定子電磁力及其噪聲進行研究，對永磁無刷電機電磁力進行理論研究，對10 極 9 槽的永磁無刷直流電機的振動噪聲進行研究，理論上研究了電磁力與定子齒寬間的關系，同時分析了轉矩脈動與振動噪聲優化結果間的關系。
沈陽工業大學的唐任遠教授、宋志環提供了完整的解析方法研究永磁電機內的電磁力及其諧波，為進一步的永磁電機噪聲理論研究提供了理論支持。圍繞正弦波和變頻器供電的永磁同步電機進行電磁振動噪聲源的分析，對氣隙磁場、法向電磁力和振動噪聲的特征頻率進行研究，產生轉矩脈動的原因進行分析，其次運用有限元對轉矩脈動進行仿真并加以實驗驗證，同時分析了不同槽極配合情況下的轉矩脈動，以及氣隙長度、極弧系數、削角、槽口寬度等對轉矩脈動的影響。
展開 永磁同步電機電磁振動噪聲自動優化
1 前言
當前新能源汽車電機電磁振動噪聲，越來越受到電機開發人員的關注。如何快速定位噪聲源，優化電機振動噪聲成為突出問題。
MANATEE(Magnetic Acoustic Noise Analysis Tool for Electrical Engineering)是法國EOMYS工程開發的電機振動噪聲仿真設計工具，是全球唯一一款專門應用于電機電磁-振動-噪聲耦合分析設計工具。專注于計算由麥克斯韋電磁力波引起的振動噪聲。軟件包括電力電子驅動模塊、電機電磁模擬模塊、機械模擬模塊以及噪聲模擬模塊、變速計算模塊、多物理場耦合模塊、優化模塊等。能夠快速計算評估電機從0啟動至上萬轉轉速運行過程的振動噪聲狀態（20~20000Hz人感官范圍）。
由于電機電磁振動噪聲機理復雜，難于定位，很難找到噪聲源。本文從另外一個角度對電機的電磁振動噪聲進行優化。遺傳算法是一種搜索最優方案的算法，本文利用遺傳算法，實現電機的多參數優化電機電磁振動噪聲。
2 基于MANATEE的電機電磁振動噪聲優化
MANATEE所用遺傳算法為：NSGA2改進型遺傳算法。
Step one：在OP_InManatee_prob.m文件中設置遺傳算法計算參數
OP_InManatee_prob.m文件
在此文件中主要設置的參數為：初始種群數、進化迭代次數、目標函數文件等。
展開 商用電動車用永磁同步電機電磁振動噪聲削弱方法
電磁振動由電磁力產生，電磁力沿徑向和切向進行分解可分為徑向電磁力和切向電磁力，切向電磁力會導致轉矩脈動的產生，導致轉矩脈動，進而增加噪聲；徑向電磁力會作用在電機齒面上，引起電機機殼振動，并向外界輻射噪聲。
因為牽扯到電磁、聲、機械等多個物理場，對電磁振動及噪聲的研究一直是個難題。國內外大量研究人員對其進行了廣泛的研究。文獻*4針對電動汽車用內置式永磁同步電機展開了研究，采用定子斜槽、轉子磁極分段兩種方法進行仿真分析，分析出的結論對電磁振動及噪聲的削弱、轉矩脈動的抑制提供了重要參考。文獻*5中對轉子形狀，尤其是磁通屏障的幾何形狀進行了優化，以滿足減小電磁激振力的設計要求。文獻*6 設計并研發了一種新型兩段式磁極轉子結構，每段轉子上一個磁極的極弧寬度與其他磁極不同，受益于兩段轉子的交錯安裝，不等極弧寬度所引入的不平衡磁拉力被完全抵消，從而降低了電磁振動和噪聲。文獻*8 提出一種采用極寬調制技術，對電機轉子結構的形狀進行修改，抑制齒數階電磁力，從而降低電磁振動噪聲的方法。此外，還有一些有意義的研究致力于分析引入功率變換器對永磁同步電動機控制系統電磁振動和噪聲造成的影響。例如，文獻中通過采用軟開關技術來探討變換器對系統振動及噪聲特性的影響。
基于以上的分析，本文針對一臺250 kw商用電動車用永磁同步電機展開研究，推導出內置式永磁同步電機定子齒面受到徑向電磁力的解析式，歸納出定子齒所受徑向電磁力的來源、階次、頻率。利用Ansys仿真軟件歸納總結出電機的振動及噪聲特性，在原設計方案的基礎上對電機轉子結構進行了優化，以抑制振動噪聲，結合Ansys仿真軟件對優化前后兩種電機進行電磁仿真、模態分析、振動仿真、噪聲仿真，以驗證結構優化的合理性。
1永磁同步電機結構
如圖1所示為本文所研究商用電動車用永磁同步電機徑向示意圖。
展開 
不同槽極數配合的永磁電機噪聲特性分析
分析結果揭示了 3 種槽極數配合對永磁電機噪聲水平的影響以及不同槽極數配合電機電磁噪聲的抑制方法。
【關鍵詞】
永磁電機; 噪聲; 槽極數配合; 電磁力; 模態
在國家新能源汽車政策的大力扶持下，近年來新能源汽車得到了極大的普及與發展。永磁同步電機由于結構緊湊、功率密度大調速性能好等優點， 在新能源汽車上得到了廣泛的應用。與此同時，新能源汽車的駕乘感受和永磁同步電機的振動噪聲性能受到越來越多的關注。
永磁電機的主要電磁噪聲源來自于作用在氣隙中的徑向電磁力波。合理的槽極數配合可以減少磁動勢諧波和氣隙磁密諧波，是抑制電磁噪聲的重要手段。文獻《基于階次分析的永磁同步電機噪聲源識別》通過麥克斯韋應力張量法推導了理想條件下作用于定子內表面的徑向力的頻率階次，基于有限元法對電機的約束模態進行了分析，進而對永磁電機的噪聲源進行了預測。
展開 基于Motor-CAD的永磁同步電機變速工況E-NVH仿真分析
1 前言
目前，新源汽車電機的噪聲問題變得越來越突出，電機的電磁振動噪聲是設計人員研究的熱點問題，而電磁振動噪聲的激勵源電磁力波至關重要。本文基于Motor-CAD對永磁同步電機進行電磁振動噪聲（E-NVH）仿真分析，為永磁同步電機的E-NVH分析提供理論依據，并為永磁同步電機的E-NVH提供優化途徑。
Motor-CAD是全球領先的新能源汽車電機選型分析及設計軟件，用于新能源汽車電機的選型匹配，優化設計，競品分析，拆解分析等。開發至今，已被全球主要的整車生產企業、電機生產商、科研機構及高校等廣泛使用。
Motor-CAD集成化軟件包，可在選型、設計階段高效地對電機進行電磁和熱性能測試；軟件包括：電磁（EMag）、熱（Therm）、機械模塊（Mechanical）和虛擬實驗室（Lab）四個模塊，可在幾分鐘內精確評估電磁、熱和電磁振動噪聲特性。
2 基于Motor-CAD的E-NVH仿真分析
2.1 Motor-CAD 軟件中的電機模型
本例以一臺48S8P永磁同步電機為例，對電機的電磁噪聲進行仿真分析。通過Motor-CAD中的Mechanical模塊對電機E-NVH進行仿真分析，為后續的降噪方案提供思路。表1所示為電機的主要結構參數。
展開 車用永磁同步電機的電磁噪聲分析與抑制
摘要
：電機模態的準確分析是實現電機低噪聲驅動設計的重要環節。當電機模態頻率與對應階次徑向電磁力波頻率接近時，會產生共振。以一臺6極36槽的70 kW商務車主驅動永磁同步電機(PMSM)為研究對象,對比分析轉子開輔助槽和針對一階齒諧波的轉子分段斜極方法對電磁力波的影響。采用轉子開輔助槽和轉子分段斜極的優化方法后,0階12倍頻徑向電磁力波幅值可減小79%。建立電機三維有限元模態仿真模型，分析電機結構部件對模態的影響，結合常用車載驅動電機的安裝固定方式對外殼進行約束,分析不同約束方式下電機的模態特性。結果表明，在峰值功率8 000 r/min的工況下，優化設計方案下的0階12倍頻的徑向電磁力波幅值較大,但由于頻率為4 800 Hz,遠離電機模態的固有頻率，因此不會發生共振，降低了電磁噪聲。
關鍵詞
：電磁力波;模態;輔助槽;斜極;永磁同步電機
0引言
電機的結構噪聲是電機結構受到激振源激勵而產生的，主要來源有機械振動和電磁振動⑴。機械振動由軸承摩擦或轉子不平衡等因素引起， 可以通過采用低噪聲軸承、提高加工工藝和裝配精度等措施來改善；電磁振動由作用于定子結構上的電磁力波引起，是引起車用永磁同步電機(PMSM)噪聲的重要因素。
19世紀20年代初,Fritze首次提出電機電磁噪聲主要由定、轉子之間的徑向電磁力產生⑵。文獻［3］是較早分析PMSM電磁噪聲激振源的文章，將激振源歸為轉矩波動和定、轉子之間的徑向電磁力波,發現電機振動噪聲的頻率特征與上述激振源的頻率特征有很強的關聯性。文獻［4］全面闡述了車用電機振動與噪聲的產生機理，從理論層面深入分析電機電磁噪聲的來源,揭示了電磁噪聲和電機結構參數以及控制參數之間的關系。
展開 電流角對永磁同步電機開關頻率噪聲的影響
噪聲頻譜表現，如圖1c所示。
2 電流角與電磁轉矩的關系
圖2示出永磁同步電機空間矢量圖。
圖2 永磁同步電機空間矢量圖
θ.電機轉子位置信號；β.電流角；i f.永磁體的等效勵磁電流；ψf.永磁體產生的磁鏈；ω.轉子電角速度；ψs.定子產生的磁鏈；i s.定子電流空間矢量；id，iq.定子電流 d 軸、q 軸分量。
電流角是定子磁鏈與永磁體產生的氣隙磁場間的空間電角度，即圖2中id與iq合成的電流空間矢量i s與d軸的空間角度β。電流角與電磁轉矩的關系，如式（1）所示。電流角的不同會影響電磁轉矩和電磁力，進而影響電機開關頻率產生的噪聲。
式中：T em——電磁轉矩，N·m；
p——極對數；
L m d——定、轉子間的d軸互電感，H；
Ld，Lq——定子繞組的d，q軸電感，H。
提高開關頻率，可以使其噪聲頻率避開客戶易感知的頻率范圍，但會增加功耗，降低逆變器效率。在某電機（8極48槽，開關頻率為8 kHz）的開發階段，在不影響效率的前提下，進行了電流角對開關頻率噪聲影響的研究。
展開 