山地车永磁无刷电机振动与噪声研究

山地车永磁无刷电机振动与噪声研究

廖建军

东昌电机（深圳有限公司）

一、山地车永磁无刷电机振动与噪声的研究意义

近几年来，永磁无刷电机有了很大的发展，凭借着良好的性能、高效率和高精准度等优势，在诸多领域有着非常广泛的应用。尤其是在一些有着较高性能要求的驱动环境中，永磁无刷电机已经成为了驱动设备的首眩但是，目前很多永磁无刷电机在实际的运行过程中，会产生很强的振动和噪声，因此，优化永磁无刷电机的设计显得至关重要。

通常情况下，电机出厂之前一定要进行振动与噪声情况检测，电机的振动和噪声情况不仅影响着驱动设备的平稳运行，同时也会影响使用者的用户体验。由于我国很多永磁无刷电机设备在振动和噪声方面没有达到国际相关的检测要求，因此，这限制了我国品牌的国际影响力。随着技术的快速发展，永磁无刷电机的检测标准也越来越高，不仅对产品的使用寿命、安全性有了更高的要求，同时要求产品要符合绿色、环保的理念。

近几年，人们的生活水平越来越高，人们对绿色出行的兴趣空前高涨，这使得山地车成为了人们的主要代步工具之一，山地车通常采用混合动力，兼顾了出行动力需求和环保要求，人们对山地车的舒适程度越来越看重，然而在山地车的运行过程中，其振动和噪声破坏了人们的使用体验，影响了人们驾驶山地车出行的热情，因此，降噪成为了山地车未来研发生产的主要方向。

二、目前永磁无刷电机振动与噪声的研究现状

（一）电机径向电磁力研究现状

径向电磁力是主磁通及其谐波在定子齿部径向方向产生的，通常情况下，计算电磁力主要有解析法与有限元数值法两种方式。在以往的研究中，由于计算机技术的不够普及，主要是采用解析法进行研究。然而解析法由于自身条件的限制，无法计算定子结构变化对径向力产生的影响，在对气隙磁场的计算中，也无法保证较高的精确程度，为了解决解析法存在的不足，在研究电磁力中引入了计算机技术，通过计算机的仿真软件，在分析非线性电磁问题中有了突破性的进展。

（二）电机模拟态分析现状

研究人员在对电机进行电磁振动与噪声的研究过程中，首先需要明确电机结构中的相应参数，包括电机模拟振型、电机固有频率和模拟态阻尼比。可以利用解析法和有限元分析法确定电机的固有模态，由于有限元法可以进行精确的计算，因此常常利用有限元法进行确定。

电机结构直接影响电机的固有模态，从而决定着电机的振动和噪声。国内对电机定子振动的研究由于起步较晚，因此相关的技术并不完善。在上个世纪90年代，有限元法和实验法成为了模拟电机的主要方式，根据实验结果对电机模型进行调整，直到有限元结果和实验结果能够相对应。

（三）电机振动与噪声研究现状

电机电磁振动和噪声的产生有着非常复杂的原因，研究者首先需要对引起电机的振动径向力进行分析计算，将径向力施加到相应的位置，改变电机的加速度，最后研究者需要根据结构计算相应的振动信息和噪声大校

尽管我国对电机的振动和噪声研究跟国外相比起步较晚，但是在最近十几年里，也取得了一系列的成果。研究人员通过实验，发现了磁钢结构与定子定槽对电机噪声的影响，从而优化了磁钢和定子的设计，后来在电磁力谐波频率上又有了新的突破，通过电磁力作为激励，改变电磁力的谐波频率，使得电机运行时噪声能够有效的降低。

三、山地车永磁无刷电机振动与噪声的研究方式

（一）方波和正弦波电流对电机运行的影响

山地车的无刷电机根据驱动方式的不同，主要可以分为方波电流驱动和正弦波电流驱动两种方式，因此在研究山地车直流无刷电机的振动和噪声问题时，可以通过改变电流控制方式，进行相应的研究分析。正弦波驱动方式需要对转子的位置进行实时的采样，使输入的正弦电波产生的磁感跟转子产生的磁场同步。由于正弦波电流驱动具有反应灵敏、控制精度高等优点，因此便于实验分析，但是正弦波电流的控制方式相对比较复杂，适用于一些性能较高的研究领域。

山地车永磁无刷电机在两种不同电流的驱动下，产生的电磁矩波和谐波频谱存在着较大的差异。电磁转矩脉动是电机齿槽转矩和绕组电枢电流共同引起的，其中齿槽转矩取决于电机定子的结构。因此，在两种不同的电流方式驱动下，齿槽转矩其实是相似的。在实际运用中，应当考虑到电流换向的影响，电磁的波动往往会因为电流换而加强，因此，方波电流控制方式产生的转矩脉冲要比正弦电流产生的大得多。

（二）频谱对电磁振动的影响

常见的正弦波电流控制方式是采用的矢量控制算法实现，将电机的三相交流电流（即Ia、Ib、Ic）转化成旋转的交直轴电流（即Id、Iq）,通过比较实测的Id、Iq与速度环给定的Id、Iq，然后根据PI控制算法得到功率开关管的具体状态，从而达到控制电机电流的目的。想要在定子电流中注入某一阶次的谐波电流，就需要在电流环给定的Id、Iq电流中耦合相应的电流谐波，故在注入谐波之前必须计算出不同阶次电流谐波在Id、Iq电流中相应的幅值与相位。

在正弦波控制方式下注入谐波，就是在d、q轴中注入与三相电流中谐波幅值相同的电流，若要注入（6k‐1）次谐波，则注入的Iq谐波电流需要比Id电流超前90°；若需要注入（6k+1）次谐波，则注入的Iq谐波电流需要比Id电流滞后90°。

（三）电流谐波对电磁振动的影响

当电枢绕组中通入5次谐波时，在Id和Iq中等效通进了6次谐波，此时，Id滞后Iq90°电角度，谐波电流的幅值由前文中方波控制方式下的谐波傅里叶分析结果得到。在通入5次谐波电流后电机的电磁振动结果和理想正弦波电流的电磁振动结果。根据前文理论分析，5次电流谐波产生的气隙磁场与空载气隙磁场相互作用，可以激励出4倍和6倍电频率的电磁力，而这些电磁力会使得电机在4倍与6倍电频率下的振动加强，这一分析与图中振动加速度频谱结果是对应的。在注入5次谐波的基础上，注入7次谐波会使得q轴电流变得更加平稳。由前文可知，在同时注入6k±1次谐波后，同一个k对应的两个谐波在q轴的分量会相互抵消，即当k=1时，5次谐波和7次谐波在q轴的分量相互抵消，从而比只注入5次谐波电流更平稳。

四、结语

随着我国人们出行环保意识越来越强烈，山地车的振动和噪声问题需要快速解决。在优化山地车永磁无刷电机的设计过程中，设计者首先应当了解永磁无刷电机的特点和工作原理，通过改变电流控制方式、频谱和谐波，研究电机的运转情况，从而改进永磁无刷直流电机设计，推动我国的相关行业不断发展。

参考文献：

[1]Belah,冷晓梅.用于同步发电机噪声分析的径向力计算[J].国外大电机,2016(2):17-20.

[2]倪明明,廖连莹,左言言,等.车用永磁电机电磁振动与噪声分析[J].微特电机,2017,43(3):9-13.

[3]李岩,李双鹏,周吉威,等.基于定子齿削角的近极槽永磁同步电机振动噪声削弱方法[J].电工技术学报,2015,30(6):45-52