1.1 车用永磁同步电机噪声与振动

电动汽车用驱动电机代替了传统的发动机，为了保证电动汽车的动力性能，对驱动电机有如下要求：

1）高转矩和高功率密度。

2）起步、低速和爬坡时大转矩，高转速时高功率。

3）恒功率运行时宽的转速范围，最高转速达到基速的3~4倍，在有限的逆变器容量下可提供最大的转矩。

4）在宽转速和转矩范围内保持高的效率。

5）有一定的过载能力，在短时间内能达到额定转矩的2倍以上。

6）高的可靠性和稳定性。

7）成本低。

目前能满足如上性能要求的电机包括直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机，不同类型电机的各性能参数比较见表1.1。

从表1.1可以看出，永磁同步电机具有较高的转矩和功率密度、高的效率以及较好的弱磁调速能力，因而在电动汽车领域应用最为广泛，尤其是在中国，电动汽车普遍都采用永磁同步电机作为驱动电机。

电动汽车驱动可分为集中式驱动、轮边驱动和轮毂驱动三种，这三种方式所用到的电机结构有所不同。集中式驱动电机和轮边驱动电机通常要求高的转速范围，由于内置式永磁电机有效气隙长度短、电感较大、弱磁调速能力强，因而集中式驱动电机和轮边电机主要为内置式永磁同步电机，如图1.1所示。轮毂直接驱动电机通常要求低速大转矩，由于表贴式的励磁磁链较大，漏磁小，能产生更大的转矩，因而轮毂电机主要为表贴式永磁同步电机，如图1.2所示。在转子位置上，集中式驱动电机和轮边驱动电机为外定子结构，而轮毂电机为外转子结构。因此，电动汽车驱动电机主要有外定子结构的内置式永磁同步电机和外转子结构的表贴式永磁同步电机。

相比传统的发动机，驱动电机的噪声有很大的区别，两者常见的噪声对比如图1.3所示。从图中可以看出，发动机的噪声频率比较低，主要的噪声能量集中在500Hz以内，而电机的噪声频带更宽，主要的噪声分布在人耳比较敏感的1~5kHz频带内。虽然电机噪声相比发动机噪声在声压级上更小，但其高频特征使得声音的品质更差，更能引起人的反感。因此，电机噪声的研究对于改善电动汽车的声品质以及提高整车舒适性具有重要的意义。

电机噪声根据其激励来源的不同可分为机械噪声、电磁噪声和气动噪声，如图1.4所示。一般而言，对于电动汽车用集中式驱动电机和轮边驱动电机，冷却方式多为水冷，而轮毂电机通常是自然冷却，因而气动噪声可以忽略。电机的机械振动和噪声主要来源于轴承和电刷等部件，可以通过提高工艺水平进行改善。而电磁噪声主要由电机内部的电磁力引起，这些电磁力一方面产生驱动电机旋转的力矩，另一方面会引起电机定、转子结构的变形和振动，从而辐射电磁噪声，如图1.5所示。该种类型的振动和噪声是电机的一个寄生效应，只要电机发生旋转，就会带来相应的电磁振动和噪声，而且与电机的电磁参数和控制方式有密切关系。因而研究电磁振动和噪声对电机噪声的削弱具有重要意义。

相较于一般的工业用驱动电机而言，电动汽车用永磁同步电机的电磁噪声具有其独特之处，主要的区别归纳如下：

1）电机的转矩（功率）密度高，磁通量密度畸变更大。电动汽车用驱动电机的功率密度能达到2.8kW/kg，而一般工业用电机的功率密度仅为0.2kW/kg左右，高的功率密度要求气隙磁通量密度幅值更大。根据电磁场中的麦克斯韦张量方程，电磁力与气隙磁通量密度幅值的二次方成正比，因而电动汽车用永磁同步电机的电磁力比一般工业用电机的电磁力大得多，噪声问题更加突出。

2）变频调速使得电流谐波增加，电磁力频率丰富。目前电动汽车用驱动电机都采用变频调速，变频器的引入不可避免地会引入较多的电流谐波，电磁力的谐波也随之增多，进而增加结构共振的可能性，恶化电机的噪声。

3）安装条件恶劣，电机在外界载荷作用下易发生转子偏心，引起电磁力的空间和时间分布发生变化，而且偏心会产生不平衡磁拉力，在加快轴承磨损的同时，也加剧电机的振动和噪声。

4）转速运行范围宽，使噪声分析和降噪更为困难。由于电动汽车用驱动电机通常运行的转速范围较宽，而一般工业用电机的转速为恒定值（或者是恒定的几个转速点），非稳态的电机噪声分析在国内外较少，而宽广的调速范围增加了避免电磁共振的难度。

5）极槽配合丰富。不同极槽配合的电机的电磁力的空间分布特性不同，而电磁力的空间分布显著影响电机噪声。尤其是近几年来在电动汽车上应用越加广泛的分数槽集中绕组（FSCW）电机，它具有端部短、工艺性好、齿槽转矩小、功率密度高等优点，然而其电磁力空间阶数更低，噪声问题更加突出。

因而，为了减小驱动电机的引入对电动汽车噪声与振动性能的影响，有必要结合车用工况和驱动电机特点分析电机的电磁噪声特性和降噪方法。 o0fJEBbVeLIa5qpnwcje1zFRRd2t/8W6qlpJ+4q4tP9wEqf4kIKgDH5uPkSx/whJ