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Electromagnetic Noise Reduction with an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor
韩怀王伟
（中车株洲电机有限公司株洲412001）
摘要：内置式永磁同步电机具有高效率、高功率密度等优势，被广泛应用在各类驱动领域。本文以某用途48槽8极内置式永磁同步电机为研究对象，推导了径向电磁力波公式，分析了其影响电机电磁噪声的主要阶次，釆用转子表面开圆弧形辅助槽的方法来削弱电磁噪声。通过有限元计算分析了优化前后电机的气隙磁场和电磁力密度变化，基于Workbench平台，仿真分析了电机的振动噪声。结果表明釆用开辅助槽的转子结构减少了气隙磁场谐波，降低了全工况范围内影响电机电磁噪声的主要阶次电磁力密度，削弱了电机的振动噪声。 关键词：内置式永磁同步电机；径向电磁力波；电磁振动噪声；辅助槽
Abstract:Because of the advantages of high efficiency and high power density,interior permanent magn
et synchronous motor is widely used in various drive fields.This article takes a48-slot8-pole interior permanent magnet synchronous motor for a certain purpose as the research object.The radial electromagnetic force formula is derived, and the main orders that afiect the electromagnetic noise of the motor are analyzed,an optimization method with arcshaped auxiliary slots on the rotor surface to weaken electromagnetic noise.The air gap magnetic field and electromagnetic force density changes of the motor before and after optimization are analyzed by finite element calculation.
Based on the workbench platform,the vibration and noise of the motor are simulated and analyzed.The results show that the use of the rotor structure with auxiliary slots reduces the air gap magnetic field harmonics and the main order electromagnetic force density that affects the electromagnetic noise of the motor in the ftill range of working conditions,and the electromagnetic noise has been reduced.
Key words：interior permanent magnet synchronous motor;radial electromagnetic force wave;electromagnetic vibration and noise;auxiliary slot
引言
近年来，永磁同步电机由于其独特的优势，在工业领域、车用牵引领域等得到了广泛的应用叫随着国
内外驱动装备制造技术的不断提升，电机噪声问题越来越引起人们的关注，振动噪声性能已经成为评判电机品质优劣的重要指标之一。
电机的噪声类别中，电磁噪声为主要噪声源叫需重点分析，电磁噪声主要由径向力波产生3役分析电磁力波对计算和抑制电磁噪声至关重要。文献⑸推导了转子分段斜极的径向力波表达式，研究了不同斜极分段数对电磁噪声的影响，并验证了该方法的有效性。文献［6］以车用永磁同步电机为研究对象，通过改变转子隔磁桥的结构形状，改变磁路走向来抑制电机的振动噪声。文献［7］运用多物理场耦合分析的方法，仿真分析了车永磁
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同步电机的电磁振动噪声，最后对仿真结果进行了试验验证。文献［8］采用转子分段斜极的方法来抑制齿谐波，削弱0阶电磁力，降低了电机的电磁噪声。文献［9］对电磁力进行了理论推导分析，通过试验验证了0阶电磁力是电机产生振动噪声的主要力波。
本文对某用途内置式永磁同步电机的电磁噪声展开了研究，采用在电机转子表面开辅助槽的方法对电机转子结构进行优化，基于有限元法，通过仿真计算对比，结果表明优化效果明显，有效地削弱了电机的电磁噪声。
1电磁分析
1.1电机模型与设计参数
本文研究的永磁同步电机转子结构如图1所示。表1给出了电机的部分主要参数。
1.2径向电磁力分析
由麦克斯韦张量法计算定子铁心上所受的径向电磁力密度，近似表达式为：
B；
F⑴
式中：
径向气隙磁密；
一真空磁导率，且为4^-xlO-7H/m o
电机的气隙磁密主要由电枢反应磁动势在气隙中产生的磁密B sS与转子永磁磁动势在气隙中产生的磁密B rS 两部分组成。因此式（1）可表示为［叫
…（弘+岛）2（^A+^A）2
咕2他=—亦一
其中，陷=工臨cos卩（p0-a）t）好厂YZX q COS（匕卩0-泅+0）式中：
F r S—永磁磁场气隙磁动势；
丘$—电枢反应磁动势；
A—等效气隙磁导；
P—极对数；
&—转子机械角度；（2）
（3）
（4）
03一角频率；
化。一定子电流产生的谐波磁动势幅值；
“一转子磁场谐波次数，且有A=2r+1，心0丄2,3…；
电枢反应磁场谐波次数，且有v=6^1+l，心=0,±1,±2…；
匕一定子绕组通入三相对称电流谐波次数，大且有匕=6任+1，應=°，±1，±2…；
0—磁动势相角。
将式（2）一（4）代入到式（1）可得到其展开表达式，且有阶次分别为（“±v）°、（“土V）P土Z和（〃土巧p±2Z,
频率为（〃±1）久，其中Z为定子槽数，Z为电机基波电
频率。
一般随着力波阶数的增大，对应阶数的固有频率也会增大，而振幅却以更快的速度减小，所以只有低空间
阶次的力波才会引起振动。本文所分析的电机主要空间
阶次电磁力波表如表2所示。图2给出了额定工况时电
表1电机参数
参数数值
额定电压/V690
额定功率/kW120
额定转速/rpm1800
槽数/极数48/8
最高转速/rpm3500
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机的电磁力密度时空二维傅里叶分解图。由表2和图2的分析结果可知，额定工况时电磁力的主要空间阶次是0阶和8阶，其中，空间阶次为0的电磁力对振动噪声影响最大，尤其是定子一阶齿谐波与转子磁场谐波相互作用产生的阶次，需要重点关注。
2电磁噪声优化
为降低电机的振动噪声，本文采用在转子表面开圆弧形辅助槽的方法，增大气隙磁阻，减小电机的等效气隙磁导，同时也改变气隙磁密的谐波成分，最终降低电机电磁力密度幅值。具体方案如图3所示。
在转子外圆开两个对称的圆弧形辅助槽，通过对比
表2电磁力主要空间阶次
X1-57-1113
10
38-8
50-8
780
98-8
110-8
1380
R>dial Fore*D«rttity[N/m2]xioF
6-20-100102030
Space order
图2额定工况电磁力密度时空分解辅助槽不同位置以及槽面积的大小，当两辅助槽的圆弧中点所对应的圆心角在20。时所关注的特定阶次电磁力密度下降较为明显。
2.1电机气隙磁场及电磁力仿真分析
基于Maxwell有限元软件对电机优化前后额定转速时的气隙磁场进行分析，气隙磁密波形及谐波分析如图4所示。
—无辅助槽
——-有辅助槽
50100 150200250
Distance/mm
(a)电机径向气隙磁密
■优化前■优化后
(b)各次谐波对比
图4气隙磁密波形及各次谐波对比
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由图4可知，开辅助槽后主要降低了气隙磁密的5次、7次、11次和13次谐波含量，而基波几乎保持不变。
基于电机外特性曲线上的工作点，在Maxwell中计
算电机不同转速下的电磁力。图5为仿真后处理得到的优化前后空间0阶不同时间阶次电磁力密度值随转速变化的对比图，由于48阶和24阶时间阶次电磁力密度值较大，为重点关注阶次，其他阶次电磁力密度数值较小，并未—
—列出。
0阶空间阶次，48阶频率阶次的电磁力密度是由定子11次、13次谐波与转子11次、13次谐波相互作用产生的，其中定子11次和13次谐波是一阶齿谐波。由图5可以看出，优化后48阶电磁力密度在全转速范围前半段约下降了70%，在全转速范围后半段电磁力密度下降的同时，也改变了其随转速变化的趋势。优化后24阶电磁力密度有所增加，但在全转速工况内对电磁噪声的主要影响阶次仍然是48阶。
2.2振动噪声分析
基于workbench平台，建立电机定子的三维模型，进行振动噪声仿真分析。在仿真计算结果的基础上，用后处理软件程序进行数据后处理，提取得到不同阶次等效辐射声功率级，并转换为A计权等效辐射声功率级。图6和图7分别为优化前后特定阶次等效声功率级对比和总等效声功率级对比。
由图可知，在全转速范围内，优化后主要降低了48阶噪声，从总等效声功率级对比图可知，优化前后
峰值噪声值由95.74dB降低到89.86dB，共降低了约6dB，优化效果较为明显。
3结论
本文以48槽8极内置式永磁同步电机为研究对象，给出了其电磁力波解析表达式，分析了可能造成电机电磁噪声的电磁力密度的主要影响阶次，采用转子开辅助槽的方法来削弱电磁噪声，基于Workbench平台进行振动噪声有限元仿真分析，结果表明：优化后降低了气隙磁场谐波，在全转速范围内，优化后主要削弱了0阶
G
E
Z
)
龜
粥
空
遂
曲
图5空间0阶电磁力密度随转速变化
vmp/w
赛
幕
00
J
I
50
0500100015002000250030003500
speed/(r/min)
图6优化前后48阶和24阶等效声功率级对比
优化前Overall
优化后Overall 90
80
70
J
—
60
0500100015002000250030003500
speed/(r/min)
图7优化前后总等效声功率级对比
（下转19页）
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业竞争力的关键材料和元器件模块。
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⑶龙克文，刘利，颜天宝•家用和类似用途电动食品加工器具机械式
磁性接近开关应用[J].日用电器，2015」6):82・85.
作者简介：
龙克文(1981-)，男，本科，电子信息专业，髙级工程师、知识产权
管理师(高级)、全国家用自动控制器标准化技术委员会委员，主要
从事电子材料和传感器系统研究。
(上接14页)
空间阶次，频率48阶电磁力密度，峰值电磁噪声值由95.74dB降低到89.86dB，共降低了约6dB，该方法可以有效地削弱电机的电磁噪声。
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作者简介：
韩怀(1992-)，男，硕士，助理工程师，主要研究方向为永磁电机
设计及振动噪声计算。
王伟(19%)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为永磁电机
设计及振动噪声计算。
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