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user: 1. 引言 永磁同步电动机有着效率高，功率密度高，功率因数高等性能特性，所以在很多电气产品中可以将其作为驱动源。例如，大型工业电器，车辆，家用电器等，近年来，车辆内部机械系统对电气系统的需求日益增加，使永磁同步电机的市场变得巨大，因此，在舒适性方面会更要求低振动和低噪声环境。同时随着混合动力汽车和电动汽车的不断发展，低振动和低噪音电机制造技术对于汽车制造商显得尤为重要 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]，电机上的振动源分为机械和电磁原因。机械原因是转子旋转，转子内质量分布不均匀，电机平衡，轴承有缺陷等。电磁原因是电源的不平衡，相电流的谐波分量，气隙的不平衡等。机械原因可以通过精确的生产和生产后的修正来消除。主要的电磁原因是电机设计中的一个问题 [ 2 ]，本文主要针对永磁同步电机的电磁噪声进行研究。 本文主要分析了永磁同步电机的电磁噪声，包括永磁体表面上电磁力的空间分布和频率特性，介绍了分析并降低噪声的多种模型和方法。主要从电磁力的优化(减小激振力)以及降低磁致伸缩力对电机噪声的影响两方面来研究。 1.1. 优化电磁力 目前，研究永磁同步电机的振动噪声大多是以径向电磁力，齿槽转矩，控制算法和谐波分量来进行分析和研究 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。 转子定子优化设计 电机的振动源有电气原因和机械原因。电振动的主要原因是径向电磁力和齿槽转矩。特别是，在具有固有频率的相同频带中的转矩频率情况下产生谐振，降低了电机的性能，并对其他系统产生了不利影响。 文献 [ 7 ] 首先设计具有V型电机和磁通屏障的转子形状，形成气隙磁通密度的正弦分布。其次，根据转子形状设计，定子齿的磁通饱和度增加将会对磁场的性能产生负面影响，从而进行定子的形状设计，其参数要根据齿宽和磁轭厚度来考虑，这会极大地引起磁饱和。为了保持与基本模型相同的绕组空间系数需要根据增加的齿宽调节磁轭厚度，然后为了减小转矩脉动和径向磁力，设置了转子电弧，会在一定程度上影响气隙长度，随着磁阻的增加操作扭矩会随之减小。将操作扭矩的减小公差带设定在1%以内时，转子的电弧设计将会减小扭矩波动和径向电磁力，现了高效率和低振动特性。 当电激励模式的频率接近定子的固有频率时，电磁振动运动变得严重，因此，有必要考虑激振力来设计几何结构。为此文献 [ 8 ] 提出了五种不同的定子磁极形状和四种不同的定子磁轭结构来检查振动特性。为了获得较小振动的定子结构抵抗磁力，研究了所提出的定子几何结构对振动特性的影响。通过电磁三维(3-D)有限元方法(FEM)计算作为时间函数的径向力，然后当在定子上施加磁力时，通过结构3-D FEM分析定子的动态响应。同时利用模态分析预测固有频率和模态振型。提出了六角圆形磁轭上具有梯形磁极的定子结构以抑制对磁力的振动，同时文献 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] 主要针对受振动和噪声限制较大的开关磁阻电机(SRM)，从两个方面对减少振动进行研究，第一个方面是驱动控制策略包括电流波形，关断和开启，占空比等，提出了低转矩脉动控制策略，减振降噪控制策略(2步换相法，3步换相法)第二个方面是振动行为相关的机械设计，其中定子部分专门设计用于避免谐振频率和由谐波磁力激发的相关模态振型。可以明显起到抑制电机电磁噪声的效果。 文献 [ 11 ] 从定量的角度研究如何减小电机径向力，对于中小型电动机，电磁噪声是整体噪声的主要来源，并且它是由作用在定子和转子表面上的电磁力引起的 [ 12 ]。该文献主要从定转子径向力上考虑，给出了径向力的计算方法：定子和转子谐波相互作用产生电磁径向力波振幅P： P = ( B v f ) × ( B u f ) (1) 比径向力P 0 ： P 0 = P R 0 R v (2) 定子铁心表面的振动速度v： (3) 式中 定子谐波， 为转子谐波，f为谐波频率， 为定子机械阻抗， 为比径向力。 文献 [ 13 ] 和 [ 14 ] 中广泛讨论了作用在定子表面上的电磁力的空间分布和频率特性，并考虑了不同的槽/极组合和绕组层。文献 [ 15 ] 提出具有不对称绕组分布的机器可能产生不平衡的磁拉力并且会增加噪声水平。 近来，从环境改善的观点来看，电容器电动机(CRM)的电磁振动和噪声的降低也成为非常重要的课题，文献 [ 15 ] 研究了负载条件下CRM主导电磁振动的特性，从理论上和实验上讨论了槽组合和斜槽对负载条件下CRM主导电磁振动的影响。对于4极CRM，明确了槽组合的主要电磁振动的特性和歪斜槽对电磁振动的减小效果，从理论上显示了电磁力波与转子歪斜之间的关系，并且实验讨论了倾斜槽对电磁振动的影响。得出的结论是主导电磁振动与谐波次数的倾斜因子的绝对值大致成比例地减小，这是振动的主要原因。 对于带有外部定子的永磁同步电动机已经充分地研究了作用在电机定子表面的力，而对于具有外部转子的情况噪声需从转子考虑，主要由作用在永磁体表面上的电磁力引起。文献 [ 16 ] 在具有非重叠绕组的外转子电机中讨论了径向力的空间和特定频率谐波序数。提出了优化永磁体和齿的形状来减小由定子槽引起的波动，但仍需要分析具有不同槽/极组合的外转子永磁同步电机的力特征以及一些非理想因素，例如电流谐波。 1.2. 分析计算振动和噪声的方法 分析和数值方法都可以用于计算电机的振动和噪声。文献 [ 17 ] 中建立了二维分析振动模型。该模型可以快速计算出振动和噪声，但并没有考虑端带对结构固有特性的影响，这些影响可能非常巨大 [ 18 ]。也可以通过机械脉冲响应而不是模态试验获得结构固有特性，然后通过将力加载到齿表面的中心来计算振动 [ 19 ]。文献 [ 20 ] 中建立了开关磁阻电机的多物理场数值预测有限元模型，噪声的峰值和总体趋势可以通过噪声测试验证。但是将电磁力沿齿面的不均匀分布简化成集中作用在磁体表面中心的力可能会导致额外的计算误差 [ 18 ] [ 21 ] [ 22 ]。在电磁脉冲响应用于获得结构固有特性，利用某些点的振动信息，采用模态扩展方法来预测定子的整体振动。计算出的其他点的振动与振动试验一致。但是，在该计算过程中，应预先进行振动试验以获得某些点的振动信息 [ 23 ]。 在永磁同步电动机中，气隙磁场由永磁场和电枢反应场组成，可以通过相对磁导率 分析开槽对气隙磁场的影响，合成径向通量密度 气隙磁场中表示为： (4) 其中 和 为无槽径向永磁场和无槽径向电枢反应场，特别的 为相对磁导率的真实部分。 忽略切向通量密度分量 [ 17 ]。径向力密度可用麦克斯韦应力法计算。因此， 。 (5) 1.3. 控制消除谐波影响 对于振动和降噪，优化电磁力和提高结构的刚度都可以实现。然而，后一种方法需要相对高的成本。减少振动和噪声的最广泛使用的方法是消除接近模态频率的电磁力。文献 [ 24 ] 通过对载波频率的优化选择，使电流谐波产生的电磁力与谐振区分离，从而使振动减少了35%。另外也可以使用倾斜的定子来减小接近模态频率的电磁力的幅度 [ 25 ] [ 26 ]，并且在文献 [ 26 ] 中，提出了最佳倾斜角的计算方法。文献 [ 27 ] 通过在转子极面上形成最佳槽口来实现振动和噪声的最小化。在该方法中，通过消除气隙场的三次谐波，减小了对总噪声贡献最大的谐波阶数为12的n次方的电磁激励。然而，在具有外转子的PMSM中，由于激励特征的改变，降噪的优化方法不同于具有外部定子的PMSM。 文献 [ 28 ] 研究了一种降低双三相绕组永磁同步电动机(PMSM)振动特性的方法，重点研究了载波谐波分量。载波相移脉冲宽度调制(PWM)使第一绕组和第二绕组的PWM载波相位产生差别，适用于24槽20极PMSM。制造并测试的电动机结果表明，与传统的同相载波PWM相比，当载波相位在每个三相绕组之间是π/2弧度时，振动和声压可以在载波频率的大约两倍处大约减半。 创新有源滤波器(AF)拓扑结构，滤波器拓扑结合AF系列和L型无源电磁干扰(EMI)滤波器的补偿特性已被证明能够减小转矩脉动和电流谐波 [ 29 ]。集中绕组电动机的振动往往高于分布式绕组电动机。这种现象是由径向应力的投射引起的。文献 [ 30 ] 表明对于集中绕组电动机，径向应力变得部分大，这导致定子铁心的变形，径向力大的气隙长度增大。发现通过部分地增大气隙，气隙中的径向应力变得平滑，因此，也可以减小电动机的振动。