车用异步电机的噪声分析与噪声控制综述

闫新健

摘要：异步电机是电动汽车驱动电机的主要类型之一，在新能源汽车发展中，电机得到了更多的关注，电机所产生噪声在汽车使用过程中有着越来越重要的影响。本文从车用异步电动机的应用现状及发展入手，总结国内外对于车用异步电机噪声研究，熟知车用异步电动机的组成及噪声产生机理，了解当前情况下针对降低车用异步电机噪声的研究现状。

关键词：异步电机;噪声;控制;降低

中图分类号：TM301                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0090-02

0  引言

电机作为设备的驱动力的供给单元，广泛应用于农业、商业、工业等领域。尤其是在新能源汽车蓬勃发展以来，车用电机的应用越来越广泛并且受到重视。由于当今人们对驾驶乘坐舒适性的追求，对于汽车使用过程的品质愈来愈重视，如何进一步降低电机的噪声和振动是一个很有意义的研究方向。电机的噪声水平和振动已是评定电机质量的重要指标之一，异常的振动不仅是引起噪声的主要原因，也会进一步的影响电机的寿命，影响汽车的使用寿命。

1  车用异步电机的噪声研究

1.1 对于降低车用异步电机的电磁噪声研究  通过研究异步电机的电磁噪声产生的原因，采用仿真模型，甚至使用实际电机进行数据采集并加以分析，通过这些方法来降低电磁噪声。

有研究者认为异步电机电磁噪声产生电磁噪声的主要原因是因为气隙磁场谐波的存在，所以在2009年邬连学、李兴权、孙晓燕等人利用针对谐波产生的途径，了解到电磁噪声主要由定转子谐波磁场相互作用而产生随时间和空间变化的电磁力波，使定子产生高倍数电源频率的振动而引起的。对其进行分析，在设计时采取相应的控制办法。例如：适当增大气隙;采用短距绕组消弱谐波电;转子进行斜槽处理;降低电机定子表面的动态振动等措施，来在电机设计指出对电磁噪声进行减弱并且通过实验验证了提出的措施[1]。

混合动力汽车（HEV）中为了减小驱动单元，要求减小电动机尺寸并增大最大扭矩。为了这些目的，最近已经普遍使用了施加永磁体的电动机。并且，根据混合动力电动汽车的输出功率额定值，电枢电路中采用了并联电路。但是由于电动汽车（EV）或HEV的电动机驱动系统必须在高达1：5的大变速范围内运行，因此可能会引起电动机噪声和振动。2011年Arata、Mochizuki、Araki等人分析了噪声模式的特征并考虑了其产生的主要原因。通过进行模拟测试确认主要原因，提出了改变电机线圈卷绕方式的措施[2]。

2015年王荀、邱阿瑞依据鼠笼式异步电动机电磁噪声产生的机理，从电磁力、机械振动和声辐射特性三个方面进行仿真得到电磁噪声。

本文对鼠笼异步电动机电磁噪声的仿真分为三步，首先利用电压作为输入的场路耦合时步有限元模型计算磁场、径向电磁力和电流;之后利用三维机械有限元模型算出径向电磁力激励下的定子振动特性;最终利用声学边界元模型计算电机的辐射声场。将电磁噪声的试验测量结果和计算结果进行了比较，研究得到基于机械有限元模型研究定子振动模态以及在电磁力激励下的振动响应。试验测量结果验证了电磁噪声仿真计算的有效性。基于该文电磁噪声仿真方法可在设计阶段对电磁噪声进行定量预估，有助于低噪声电动机的设计研发[3]。

2016年禹立华认识到研究电机电磁噪声就必须要把电磁噪声从叠加的噪声里分离，应用于验证电磁噪声理论计算的可靠性。

采集电机噪声后，通过一系列方法对电磁噪声的分离，然后对电磁噪声及对应主频率数据采集与分析后。此后根据声学、电磁、振动等理论，开发电磁噪声计算分析软件，并且进行可靠度验证。最后在电磁力波计算方法验证可靠的前提下，对一系列高壓异步电动机方案进行改良，算出电磁噪声最佳方案;针对改进的系列电机试制后重新做噪声频谱试验并分离出电磁噪声及其主要频率，进而对比分析改进电磁噪声的变化以及为了验证电磁力波计算方法的可靠性[4]。

通过仿真方法研究电磁噪声，2017年郑江、代颖、石坚等人为了分析车用异步电机的电磁噪声问题。利用多物理场有限元仿真与试验结合的方法进行研究，首先对一台样机进行噪声测试，通过分析一台电动汽车牵引用异步电机空载时噪声大的原因，来定位噪声的主要来源。利用多物理场有限元分析其成因，并且基乎Awys Vrorbcnch多物理场仿真分析平台建立样机的电磁一结构一声场仿真模型，通过仿真和试验对比，验证仿真的正确性。然后分析不同槽配合方案的电磁力波特性，通过选取对应的槽配合来抑制电磁噪声。最后通过试验测试和多物理场仿真证明方法的正确性[5]。

电机产生的噪声水平是权衡电机质量的一项重要指标，如何有效降低电机噪声是电机设计的关键问题，2017年孙小刚、刘硕、冯德洋等人针对异步电机噪声中的电磁噪声问题展开分析，并通过实际电机的验证分析的正确性。首先，通过对异步电机中的各种径向电磁力分析，提出电磁噪声产生的主要原因是齿谐波产生的径向电磁力，并且结合经典振动力学对不同力波次数的激振源给出了具体分析;最后，为了证明理论的正确性，并给出可有效降低电磁噪声的相关方法，作者等人利用实际电机进行了验证，并取得很好的成果[6]。

2019年黄闯、代颖、罗建等人以额定功率40kW的新能源汽车异步电机牵引系统为例，基于Matlab和Ansys/Maxwell软件平台，以系统角度出发，分析车用电机与驱动控制器系统的电磁振动与噪声。通过仿真电机车载固定模式下电机结构的模态频率，分析安装固定对电机结构模态频率的影响。分析变频器开关频率对电机牵引系统电磁噪声的影响，通过仿真对比指出合理的开关频率，并通过实验验证理论分析的正确性[7]。

通过以上方法，很多研究者都进行了降低异步电机噪声降低措施的研究，并且取得了很好的结果。

1.2 利用电机设计要点进行降低噪声研究

在电机设计的源头进行改进，以此降低异步电机的噪声，是一个很好的研究方向。

異步电机高噪声容易降低设备寿命，造成环境污染。2012年尚荣艳、彭长青、方瑞明等人分析异步电机三种噪声的产生原因，从电源、定转子铁心、轴承、绕组、通风、电刷与集电环及其它方面，详细分析了低噪声异步电机设计要点，全面地论述了异步电机设计时应该采用的降噪措施，该文章为电机研究者提供参考，具有重要的实践意义[8]。

噪声作为异步电动机性能高低的一个重要判别指标，尤其是对环境噪声要求高的场所，更要注重噪声的大小。在异步电动机的实际运行过程中，噪声主要是由电磁、机械以及通风等因素共同决定的，其中电磁和通风条件是噪声产生的主要原因，对噪声的大小具有决定性的作用。为了降低异步电动机噪声对周围环境所造成的不良影响，就要对异步电动机噪声产生的原因进行深入的分析研究，查明噪声的原因，并采取有针对性的降噪措施，进而降低异步电动机在运行过程中的噪声，减少噪声污染，为用户提供安静的工作环境。研究异步电机的构造，各部分产生噪声的原因，通过改进异步电机的构造降低异步电机的噪声。

1.3 槽配合对车用异步电机噪声影响

电磁噪声时异步电机噪声的主要成分，研究者们希望通过利用槽配合来实现异步电机的电磁噪声减弱，在这一方面做出了大量的研究。

由于电机的电磁噪声主要由电磁力作用引起电机机械的振动导致。极数多、转速低的电机，电磁噪声往往会显得很突出。2014年贺玉民、史建萍、崔伟、赵东芝、吴若欣等人从理论分析槽配合对电磁力波的影响，并结合模态分析了电机电磁噪声问题，并根据不同的槽配合制造不同的转子验证理论的正确性。试验结果证明槽配合对电机电磁噪声有很重要的影响，改变槽配合对处理电磁噪声是有效方法[9]。

异步电机的电磁噪声问题至今都是国内外各大电机制造公司面临的难题，随着高功率密度异步电机的出现，电磁噪声问题的解决将会更加困难。

对于异步电机的槽配合的研究，可以很大程度降低电磁噪声，也取得了很大的成果。

1.4 通风噪声对车用异步电机噪声的影响

电机的通风噪声与电动机转速密切相关，2014年马大勇、孔逸明、张海波、黄海彬等人为了有效降低通风噪声，对不同风扇的噪声进行测定。首先进行了通风噪声产生原因分析，此后考虑在无法进行通风流量测试状态下，按照电机的温升试验来确定该风扇是否符合电机散热要求的方案。通过样机验证，为改进电机结构和降低电机通风噪声提供新的设计思路[10]。

2018年王力名、苏国霞分别从声源和传播方向两方面控制通风噪声，研究降低高压方箱异步电动机通风噪声的方法。通过大量实验数据表明，在温升允许的情况下，采用优化风扇直径及风扇叶结构的方法，降低通风噪声的效果显著。经过多次优化高压方箱异步电动机的消音罩结构，分别采用在进风口及在出风口设置消音罩，两种结构均可有效降低通风噪声[11]。

异步电机通风噪声很大程度上是由于电机的结果问题导致的，通过改进异步电机结构降低通风噪声，可以有效地减弱电机噪声。

2  结论

综上所述，现如今国内外针对异步电机噪声研究主要的就是通过针对电磁噪声、通风噪声、槽配合、电机的设计进行的，他们也通过实验证明研究的成果，并且针对成果提出了更多的期望。我们也期待更多更好的研究方法和试验手段，使人们对电机噪声振动的理解也不断深入，取得更好的成果。

参考文献：

[1]邬连学，李兴权，孙晓燕.异步电机电磁噪声分析与控制[J].科技经济，2009（03）：20-21.

[2]Arata， Mochizuki， Araki， et al. Decrease of asynchronous rotation-frequence noise and vibration caused by electromagnetic force inside the motor for a hybrid vehicle [C]// Europ ea Conference on Power Electronics & Applications. IEEE， 2011.

[3]王荀，邱阿瑞.鼠笼异步电动机电磁噪声的仿真分析[J].微电机，2011，44（7）：22-26.

[4]禹利华.高压异步电动机电磁噪声研究[D].湖南：湘潭大学信息工程系，2016.

[5]郑江，代颖，石坚.车用异步电机的电磁噪声分析与抑制[J].电机与控制应用，2017，44（6）：74-78.

[6]孙小刚，刘硕，冯德洋.异步电机电磁噪声分析及验证[J].科学家，2017（5）：70.

[7]黄闯，代颖，罗建.新能源汽车异步电机驱动系统的电磁振动与噪声分析[J].工业控制计算机，2019，32（05）：164-165，168.

[8]尚荣艳，彭长青，方瑞明.低噪声异步电机设计要点综述[J].防爆电机，2012（05）：8-13.

[9]贺玉民，史建萍，崔伟，等.槽配合对异步电机电磁噪声的影响分析[J].电机与控制应用，2014（4）：34-36.

[10]马大勇，孔逸明，张海波，等.三相异步电动机由50Hz改用60Hz电源时的噪声探讨[J].电机与控制应用，2014（5）：62-64.

[11]王立名，苏国霞.降低异步电动机通风噪声的方法研究[J].防爆电机，2018，53（4）.