新能源汽车中永磁同步电机电磁激励振动响应与NVH控制技术研究

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在新能源汽车的快速发展的浪潮中，永磁同步电机（PMSM）凭借其高效能和卓越的动态性能，成为了电动汽车（EV）驱动系统的核心部件。然而，随着人们对汽车舒适性要求的不断提高，电机运行过程中产生的振动和噪声（NVH）问题逐渐凸显，成为影响用户体验的关键因素。今天，我们就来聊聊永磁同步电机的振动噪声来源，以及如何通过技术手段来控制这些NVH问题，让新能源汽车更加静音舒适。

一、永磁同步电机的振动噪声来源

（一）电磁激励振动

电磁激励振动是永磁同步电机振动和噪声的主要来源。电机运行时，定子和转子之间的电磁相互作用会产生周期性的电磁力。这种电磁力作用于定子齿，会引起机械结构的振动，进而产生噪声。

产生机制

1. 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。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。

2. 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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

（二）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

1. 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。

2. 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。

3. 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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

（三）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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

二、振动响应分析与研究

（一）电磁力的时空分布分析

通过分析电磁力的时空分布，可以深入了解电磁激励对定子齿的作用机制。利用有限元仿真和数值分析方法，研究者可以计算电机内部的电磁力分布，并推导出其对定子齿的作用力。

分析方法

1. 有限元仿真：通过建立电机的有限元模型，模拟电磁力在定子齿上的分布情况。仿真结果可以用于优化电机设计，减少电磁力波动对定子齿的激励作用。

2. 数值分析：通过数值计算方法，推导出电磁力的解析式，并分析其对振动响应的影响。数值分析可以快速评估不同设计参数对电磁力分布的影响，指导设计优化。

（二）振动响应的数值计算与实验验证

在了解电磁力的时空分布后，研究者可以进行振动响应的数值计算，并通过实验验证结果的准确性。数值计算与实验验证的结合，可以全面评估电机的振动响应特性。

数值计算

1. 模态分析：通过模态分析确定电机结构的固有频率和振型，识别可能引起共振的频率范围。

2. 频响分析：在模态分析的基础上，进行频响分析，计算电磁力激励下的振动响应。频响分析可以评估电机在不同激励频率下的振动幅度，识别主要的振动源。

实验验证

1. 模态实验：通过模态实验测量电机的固有频率和振型，为数值计算提供验证数据。模态实验通常使用激振器和加速度传感器，通过施加外部激励，测量结构的振动响应，确定其模态参数。

2. 频响实验：通过频响实验验证数值计算结果。实验过程中，通过激振器施加已知频率的激励，测量电机的振动响应，并与数值计算结果进行对比。

（三）壳体材料阻尼系数的影响研究

壳体材料的阻尼系数对电机的振动响应有重要影响。高阻尼材料可以有效吸收振动能量，降低振动幅度，从而减小噪声。

研究方法

1. 材料特性测试：通过实验测试不同材料的阻尼系数，评估其对振动响应的影响。常用的测试方法包括自由振动衰减法和谐振法。

2. 数值仿真：利用有限元仿真方法，分析不同壳体材料对电机振动响应的影响。通过对比不同材料的仿真结果，选择最佳的壳体材料。

三、新能源汽车NVH测试技术

在新能源汽车的开发过程中，NVH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。

（一）NVH测试设备

1. 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。

2. 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。

3. 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。

（二）测试方法

1. 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。

2. 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。

3. 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。

四、未来展望

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。通过分析电磁力的时空分布和振动响应，研究者可以有效识别和控制电机的振动源。结合数值计算与实验验证，可以全面评估电机的振动响应特性，指导设计优化。同时，壳体材料的阻尼特性研究也为振动控制提供了新的思路。未来，PMSM的电磁激励振动响应与NVH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。

总之，随着技术的不断进步，我们有理由相信，新能源汽车将越来越安静、舒适，为用户提供更加美好的出行体验。