車用異步電機(jī)噪聲分析和噪聲控制綜述

呂晗珺，閔永軍，徐曉美

（210037 江蘇省 南京市 南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院）

0 引言

如何解決電動(dòng)機(jī)的噪聲問題始終是電機(jī)廠需要解決的主要問題。異步電機(jī)是汽車?yán)锏囊环N驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這種電機(jī)具有成本低、易弱磁、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)，在大功率驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合的應(yīng)用比較廣泛。根據(jù)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，異步電機(jī)的噪聲可以分為電磁噪聲、通風(fēng)噪聲和機(jī)械噪聲三大類[1]。通風(fēng)噪聲一般是電機(jī)中風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣流聲被傳播出來(lái)形成的噪聲，而電磁噪聲、機(jī)械噪聲這2類噪聲受電機(jī)中各結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響。機(jī)械噪聲是由電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生摩擦、碰撞以及共振等引起的，主要的噪聲是由轉(zhuǎn)子和軸承的噪聲帶來(lái)的。本文主要就異步電機(jī)的各類噪聲形成的原因、噪聲控制方法展開討論和分析。

1 異步電機(jī)電磁噪聲問題

1.1 電磁噪聲產(chǎn)生的原因

電磁噪聲主要由電機(jī)各部分的磁拉力引起。異步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子間存在一定的氣隙，運(yùn)行過程中電機(jī)鐵心受到磁場(chǎng)的作用產(chǎn)生形成電磁振動(dòng)的電磁力。電磁力的徑向分量導(dǎo)致定子和轉(zhuǎn)子發(fā)生變形，形成周期性的振動(dòng)。電磁噪聲的來(lái)源之一就是徑向的電磁分力；而切向分力是與電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)的作用力矩，它導(dǎo)致齒根部發(fā)生彎曲，某些部位產(chǎn)生振動(dòng)變形，是電磁噪聲的另一來(lái)源[2]。

1.2 電磁噪聲的抑制方法

目前，國(guó)內(nèi)外研究異步電機(jī)的電磁噪聲主要從電機(jī)斜槽、槽配合、繞組類型這幾方面展開。

1.2.1 采用斜槽降低噪聲

電機(jī)采用斜槽的目的是減小附加損耗，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心采用斜槽設(shè)計(jì)有利于減小啟動(dòng)電流，可以削弱諧波的影響，從而減小電機(jī)產(chǎn)生的噪聲值。

為了對(duì)比直槽和斜槽異步電機(jī)的噪聲大小，一些學(xué)者通過試驗(yàn)的方法，將2 類電機(jī)在空載和負(fù)載的情況下產(chǎn)生的噪聲值分別進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，采用斜槽的電機(jī)噪聲明顯更小。謝穎[3]等不僅通過試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比并且通過建立轉(zhuǎn)子直槽和斜槽的三維模型，對(duì)模型進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，并用傅里葉分解和頻譜的方法計(jì)算了振動(dòng)位移的頻率和幅值，結(jié)果表明，采用斜槽后電磁力波幅值和振動(dòng)位移的波動(dòng)都減?。籗prangers[4]提出一種IMs（Induction motors）的半解析模型，預(yù)測(cè)了靜磁場(chǎng)在氣隙以及定子和轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的分布，并驗(yàn)證雙區(qū)域極槽更有利于提高電機(jī)性能，降低噪聲。

斜槽的處理方式有多種，唐慶華[5]等針對(duì)三相異步電機(jī)提出了定子斜槽、繞線轉(zhuǎn)子斜槽和鑄鋁轉(zhuǎn)子斜槽3 種方式，并分析了3 種斜槽方式的實(shí)現(xiàn)方式。定子斜槽由于加工工藝的限制必須在定子機(jī)座上進(jìn)行加工，并且要注意防止加工時(shí)出現(xiàn)破裂的現(xiàn)象，所以定子斜槽的應(yīng)用并不廣泛；而對(duì)于轉(zhuǎn)子斜槽來(lái)說，鑄鋁轉(zhuǎn)子斜槽的實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單。斜槽的結(jié)構(gòu)有很多種，不同的電機(jī)可以采用合適的斜槽方式來(lái)達(dá)到最大限度的降噪目的。

斜槽距的設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)噪聲也會(huì)產(chǎn)生影響。工程上轉(zhuǎn)子斜槽一般傾斜一個(gè)齒距，但不夠精確，針對(duì)這個(gè)問題，文獻(xiàn)[6]提到了一種通過定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)和極對(duì)數(shù)來(lái)計(jì)算最合適斜槽距的方法。單斜槽的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可以降低噪聲，但有時(shí)出現(xiàn)氣隙偏心問題時(shí)，仍不能滿足降噪的需求。鮑曉華[7]等提出一種雙斜槽結(jié)構(gòu)，并用多層分段的模型對(duì)比了采用雙斜槽和直槽的電機(jī)出現(xiàn)偏心時(shí)力的分布，發(fā)現(xiàn)雙斜槽電機(jī)徑向電磁力更小。所以，雙斜槽轉(zhuǎn)子具有更強(qiáng)的性能，同時(shí)可以解決氣隙偏心產(chǎn)生更多電磁力的問題，抑制噪聲的效果更明顯。

1.2.2 優(yōu)化定、轉(zhuǎn)子槽配合

異步電機(jī)中定、轉(zhuǎn)子的槽數(shù)和槽配合對(duì)電機(jī)的噪聲值會(huì)產(chǎn)生影響，主要是由于縫隙諧波的作用，選擇合適的定子和轉(zhuǎn)子縫隙數(shù)是很重要的。針對(duì)縫隙諧波的影響，文獻(xiàn)[8]中提出一種轉(zhuǎn)子開槽的方法，在不增加材料的前提下，減小了諧波引起的振動(dòng)，并用有限元法計(jì)算了麥克斯韋力諧波，利用樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了方法對(duì)降噪有效；賀玉民[9]等針對(duì)槽配合是如何影響徑向電磁力波進(jìn)而影響電機(jī)噪聲的問題進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，結(jié)合定子鐵心模態(tài)對(duì)電機(jī)電磁噪聲進(jìn)行了分析，并利用頻譜分析儀驗(yàn)證了槽配合對(duì)電機(jī)噪聲有重要影響；文獻(xiàn)[10]對(duì)具有低電磁噪聲的異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子齒產(chǎn)生的徑向力進(jìn)行有限元和模態(tài)分析，分析了插槽協(xié)調(diào)度為36/20，36/22，36/24 時(shí)產(chǎn)生的噪聲值，發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)度為36/24 時(shí)噪聲最??；文獻(xiàn)[11]分析了不同槽型組合的電磁力階，通過模態(tài)分析計(jì)算定子的固有頻率，采用有限元方法計(jì)算了電機(jī)徑向電磁應(yīng)力波的時(shí)空變化特征，并采用二維傅里葉分析方法對(duì)其進(jìn)行了時(shí)空分析，對(duì)比得到了產(chǎn)生噪聲最小的電機(jī)槽型組合。

電機(jī)中磁通密度分布與槽配合的選擇也有關(guān)系，針對(duì)槽配合的改變?nèi)绾斡绊懘磐ǚ植嫉膯栴}，王曉遠(yuǎn)[12]等用有限元仿真軟件分析了6 種不同槽配合電機(jī)的性能，得到不同磁通密度分布。當(dāng)轉(zhuǎn)子槽數(shù)逐漸增加時(shí)，電機(jī)氣隙中的電磁阻不斷增大，而磁通密度幅值降低，電機(jī)噪聲也隨之減少；禹利華[13]等針對(duì)高功率密度電機(jī)的電磁噪聲進(jìn)行槽配合的優(yōu)化，選用5 種不同槽配合方案，分別計(jì)算其電磁力波，選擇較高力波階數(shù)、幅值小的槽配合，再對(duì)其進(jìn)行4 個(gè)不同測(cè)量點(diǎn)的電磁噪聲實(shí)測(cè)頻譜，驗(yàn)證選擇合適的槽配合可以降噪。

1.2.3 選擇合適的繞組類型

繞組的類型對(duì)電機(jī)噪聲會(huì)產(chǎn)生一定影響，選擇產(chǎn)生較小諧波磁勢(shì)的繞組對(duì)于降噪是非常有利的。異步電機(jī)繞組可以分為單層繞組和雙層繞組，單層繞組的線圈工藝較簡(jiǎn)單，但產(chǎn)生的電磁波形較差，電機(jī)的耗損和噪聲都比較大。雙層繞組的電磁波形可以得到優(yōu)化，相對(duì)來(lái)說性能更好。

為了比較單層和雙層繞組的降噪效果，Razvan[14]等用2D 軟件對(duì)單層和雙層繞組進(jìn)行電磁分析，結(jié)果雙層繞組定子表面受到的壓力、轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的脈動(dòng)幅度以及諧波幅度比單層繞組低，再用3D 模型機(jī)械分析定子殼體的固有頻率，在半消聲室內(nèi)測(cè)量噪聲值，發(fā)現(xiàn)雙層繞組噪聲的聲壓級(jí)較低；艾萌萌[15]等通過分析雙轉(zhuǎn)子的環(huán)形繞組的結(jié)構(gòu)和磁路提出一種不同結(jié)構(gòu)的異步電機(jī)，分析其電磁特性并與傳統(tǒng)電機(jī)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用該環(huán)形繞組的結(jié)構(gòu)可以提高電機(jī)的性能并且可以抑制噪聲的產(chǎn)生。對(duì)于多相異步電機(jī)來(lái)說，繞組結(jié)構(gòu)的可能組合也會(huì)影響電機(jī)噪聲。Muteba[16]等針對(duì)繞組的組合做了一系列研究，以五相異步電機(jī)為例設(shè)計(jì)繞組因素，并用有限元法對(duì)不同五相繞組排列進(jìn)行建模，指出采用雙層、三層繞組組合并將線圈側(cè)移到另一層可以減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)的噪聲更小。

2 異步電機(jī)通風(fēng)噪聲問題

2.1 通風(fēng)噪聲產(chǎn)生的原因

通風(fēng)噪聲是由于電機(jī)中氣流壓力發(fā)生變化和急劇脈動(dòng)而產(chǎn)生的，氣流和風(fēng)路管道產(chǎn)生摩擦也會(huì)產(chǎn)生噪聲。電機(jī)運(yùn)行過程中，氣流經(jīng)過突出的障礙物時(shí)，黏滯力將通過的氣流分成小渦流，形成的渦流導(dǎo)致空氣的壓縮和稀疏，形成渦流噪聲。電機(jī)中風(fēng)扇在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)扇與空氣之間發(fā)生相互作用形成壓力脈動(dòng)，從而帶來(lái)旋轉(zhuǎn)噪聲，氣流在遇到一些阻礙物時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾并發(fā)出笛聲。

2.2 通風(fēng)噪聲的控制

由通風(fēng)噪聲產(chǎn)生的原因以及影響通風(fēng)噪聲的因素，可以從風(fēng)源和傳播方向兩方面分析如何降低通風(fēng)噪聲。電機(jī)的通風(fēng)噪聲主要是風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，其中以風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲為主，所以抑制風(fēng)源可以通過優(yōu)化電機(jī)風(fēng)扇來(lái)實(shí)現(xiàn)；而從傳播途徑降噪可以利用消聲器來(lái)減弱噪聲。

在優(yōu)化風(fēng)扇設(shè)計(jì)這方面，王立名[17]等對(duì)風(fēng)扇做出改進(jìn)方案，通過減小外風(fēng)扇的直徑和寬度降低了電機(jī)的噪聲值并提升了電機(jī)的效率，并比較了圓弧形與平板形后傾式葉片產(chǎn)生的噪聲和使用性能，發(fā)現(xiàn)選擇圓弧形的葉片噪聲更?。籏im[18]等通過數(shù)值分析確定影響通風(fēng)噪聲的因素，將風(fēng)扇葉片角度、數(shù)量、形狀作為電機(jī)模型的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過案例分析確定葉片的數(shù)量，選擇槽楔形葉片并減小葉片的直徑，最后進(jìn)行噪聲測(cè)試，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的模型噪聲小于基礎(chǔ)模型。

如果聲源這方面不能控制噪聲，可以從聲音傳播途徑降噪，消音罩就是一種既可以通過氣流，同時(shí)削弱甚至阻止聲音傳播的裝置。文獻(xiàn)[17]針對(duì)消聲罩安裝在進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口以及增加吸聲尖劈前后電機(jī)噪聲值變化的問題設(shè)計(jì)了多種消聲罩安裝方案，通過實(shí)驗(yàn)比較各方案可以降低噪聲值的大小，判斷出在進(jìn)風(fēng)口加消聲罩并添加吸聲系數(shù)高的吸聲尖劈的降噪效果最優(yōu)。

3 異步電機(jī)機(jī)械噪聲問題

3.1 機(jī)械噪聲產(chǎn)生的原因

機(jī)械噪聲產(chǎn)生的原因可以分為3 類：（1）轉(zhuǎn)子不平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)子分布不均勻，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)形成離心力，力在支座上產(chǎn)生數(shù)值和相位均一樣的振動(dòng)為靜不平衡，數(shù)值一樣但相位有異的振動(dòng)為動(dòng)不平衡，兩者都有為混合不平衡；（2）軸承噪聲。軸承在較為復(fù)雜的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，發(fā)生相對(duì)振動(dòng)時(shí)撞擊而產(chǎn)生噪聲，軸承裝配得不合適也會(huì)引起機(jī)械噪聲；（3）構(gòu)件發(fā)生共振。當(dāng)電機(jī)的任意一個(gè)構(gòu)件自身固有的頻率與其他某一個(gè)頻率相似時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生構(gòu)件共振。

3.2 機(jī)械噪聲的抑制方法

3.2.1 改善軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，軸承和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性是重要的使用性能，由于材料質(zhì)量的不均勻、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子時(shí)產(chǎn)生的各種誤差等原因都容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子各位置質(zhì)量不均，不均勻的轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲。當(dāng)電機(jī)在復(fù)雜的工況下運(yùn)行時(shí)，軸承隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生碰撞噪聲，軸承的裝配不合適也會(huì)引起噪聲。目前，對(duì)于轉(zhuǎn)子和軸承不穩(wěn)定產(chǎn)生的噪聲問題，主要是從轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、軸承結(jié)構(gòu)和軸承的裝配方面進(jìn)行研究。

針對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡所產(chǎn)生的噪聲，許多學(xué)者提出了動(dòng)平衡法。王瑞[19]等針對(duì)高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子不平衡做了實(shí)驗(yàn)，利用傳感器測(cè)量不平衡引起的振動(dòng)得到不平衡量，用影響系數(shù)法校正動(dòng)平衡配重，該方法提高了動(dòng)平衡速度，并且在實(shí)驗(yàn)中可以得知轉(zhuǎn)子的最高轉(zhuǎn)速以便轉(zhuǎn)子工作時(shí)不超過最高轉(zhuǎn)速引起更大的振動(dòng)。但是這種測(cè)試方法不能精確測(cè)量出不平衡的位置；文獻(xiàn)[20-21]利用觀測(cè)器精確估計(jì)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)不平衡擾動(dòng)，并將其從總擾動(dòng)中分離出來(lái)，從而估計(jì)出轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)不平衡的個(gè)數(shù)，這種方法提高了測(cè)量轉(zhuǎn)子不平衡的精確度。

異步電機(jī)在車輛上作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為提高軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速要提高，會(huì)導(dǎo)致操作過程中產(chǎn)生更多的彎曲共振頻率交叉，從而引起振動(dòng)。針對(duì)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲，一些學(xué)者從軸承設(shè)計(jì)上做了一系列研究。Becker，S.Heindel 等分別在文獻(xiàn)[22-23]提到一種壓電作動(dòng)器控制的主動(dòng)軸承可實(shí)時(shí)主動(dòng)平衡轉(zhuǎn)子，并通過閉環(huán)控制器使轉(zhuǎn)子始終保持在旋轉(zhuǎn)中心，避免軸承和轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定引起噪聲。文獻(xiàn)[24]提到擠壓油膜阻尼軸承可以通過對(duì)轉(zhuǎn)子施加外油膜阻尼力來(lái)抑制軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的額外振動(dòng)；S.Zhang[25]介紹了一種具有可調(diào)能力的軸頸軸承，設(shè)計(jì)制作了可調(diào)軸承的物理模型，并建立了剛性和柔性試驗(yàn)臺(tái)對(duì)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在各種振動(dòng)狀態(tài)下的振動(dòng)抑制行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該軸承對(duì)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在不同振動(dòng)狀態(tài)下的振動(dòng)有抑制作用。

對(duì)電機(jī)軸承施加適當(dāng)?shù)膲毫σ部梢越档驮肼?。周俊[26]等提出2 種對(duì)軸承施加適當(dāng)壓力的方法降低噪聲，第一個(gè)是使用波形彈簧片，在軸承室增加一個(gè)耐油橡膠圈，可以抵住前軸承的外邊緣來(lái)降低噪聲，但該方法需要在前軸承室留出合適的空隙；第二個(gè)是針對(duì)閉室的軸承室，在貼著軸承的內(nèi)緣開一個(gè)卡簧槽，選擇合適的卡簧卡住軸承，防止轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)軸承竄動(dòng)。

電機(jī)內(nèi)軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噪聲是否有影響，一些學(xué)者通過建立軸承噪聲模型，分析出軸承徑向游隙越大產(chǎn)生的噪聲也隨之增大，曲率半徑增大噪聲反而減小，所以，針對(duì)不同的噪聲要求選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噪聲的抑制有一定的作用。

3.2.2 抑制構(gòu)件共振

電機(jī)機(jī)殼、定子等電機(jī)構(gòu)件產(chǎn)生共振也是產(chǎn)生機(jī)械噪聲的原因之一。吳旭升[27]等分析出當(dāng)定子的結(jié)構(gòu)無(wú)異時(shí)，電機(jī)機(jī)殼設(shè)計(jì)會(huì)影響電機(jī)自振頻率，對(duì)電機(jī)噪聲傳播也產(chǎn)生影響，繪制出機(jī)殼剛度隨機(jī)殼外徑的變化曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)殼外徑增大時(shí)，剛度隨之下降，而電機(jī)自振頻率降低。所以，為避免共振，可通過改變機(jī)殼的外徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，同樣，可以通過改變電機(jī)的質(zhì)量來(lái)改變振動(dòng)的位移降低噪聲值；文獻(xiàn)[28]將分別帶有鋁制和灰鑄鐵定子殼的電機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試，對(duì)電機(jī)的固有頻率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的某些部分會(huì)形成共振引起噪聲，根據(jù)振動(dòng)的頻率分量提出將起主要作用的前5 個(gè)頻率分量作為參考，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，固定頻率如果避免產(chǎn)生這些分量則可以減少噪聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，鋁制定子殼的電機(jī)噪聲更難抑制，因?yàn)殚g隙配合更容易引起共振的發(fā)生，而外殼和定子屬于緊密配合的電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)容易抑制。

4 總結(jié)

本文將異步電機(jī)噪聲分為3 類，分析和總結(jié)了噪聲產(chǎn)生的原因和抑制方法。從減少電機(jī)電磁諧波產(chǎn)生的角度，電機(jī)降噪主要考慮斜槽設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子和定子槽配合以及繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。優(yōu)化定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雖然可以降噪，但是可能降低電機(jī)穩(wěn)定性，所以，對(duì)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)，應(yīng)考慮電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性；在改善異步電機(jī)通風(fēng)噪聲時(shí)，大部分都通過優(yōu)化電機(jī)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)來(lái)降噪，而關(guān)于消聲罩設(shè)計(jì)的研究較少；電機(jī)各部件結(jié)構(gòu)和加工工藝的優(yōu)化也亟待深入研究。