永磁同步电机结构振动与噪声，背后竟藏这些秘密_pmsm电机励磁声音非常大-优快云博客

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）以其高效、节能、体积小、功率密度高等优点，在工业自动化、新能源汽车、航空航天等领域得到了广泛应用。然而，与其它电机类型类似，PMSM在运行过程中也会产生振动与噪声，这不仅影响设备的稳定性和可靠性，还会降低用户的使用体验。深入了解PMSM结构振动与噪声的产生机理，并采取有效的抑制措施，对于提升电机性能和延长其使用寿命至关重要。

一、PMSM结构振动与噪声的主要来源

PMSM的振动与噪声并非单一因素造成，而是多种因素耦合作用的结果。总体来说，可以将其归纳为以下三大类：

电磁激励： 这是PMSM振动与噪声最主要的来源。电机运行过程中，定子绕组通入电流，与永磁体产生的磁场相互作用，产生驱动转矩。然而，实际的电磁场分布并非完全理想，会产生谐波分量，这些谐波分量作用于电机结构上，形成电磁力波。这些电磁力波频率覆盖范围广，力的大小随时间变化，从而激发起电机结构的振动，最终以噪声的形式表现出来。具体的电磁激励来源包括：
- 气隙磁场谐波： 气隙磁场中理想的正弦波成分是驱动转矩的主要来源，但由于永磁体分布、绕组设计、铁芯形状等因素的影响，气隙磁场不可避免地包含各种谐波分量。这些谐波分量与定子绕组产生的磁场相互作用，产生脉动转矩和径向电磁力。
- 齿槽效应： 齿槽效应是由定子铁芯齿与转子永磁体相互作用产生的。当转子旋转时，永磁体相对于定子齿的位置不断变化，导致磁阻的变化，从而产生齿槽转矩。齿槽转矩是一种周期性变化的转矩，会引起电机的振动。
- 电流谐波： 变频器供电情况下，为了实现电机调速，需要对电流进行调制。由于变频器开关器件的非线性特性，电流中不可避免地存在谐波分量。这些谐波电流会产生谐波磁场，进而产生谐波电磁力，加剧电机的振动和噪声。
- 磁饱和： 当电机运行时，铁芯可能出现磁饱和现象，这会导致磁场分布的畸变，从而产生额外的电磁力，增加振动和噪声。
机械激励： 电机自身的机械结构也可能产生振动和噪声。
- 转子不平衡： 转子在制造或使用过程中，由于材料分布不均匀、加工误差、或者长期运行后的磨损，可能出现不平衡现象。转子不平衡会导致电机运行时产生离心力，从而激发起电机结构的振动。
- 轴承缺陷： 轴承是电机的重要部件，如果轴承存在制造缺陷、润滑不良、或者长期运行后的磨损，会导致电机运行时产生振动和噪声。轴承振动频率通常与其转速、滚动体数量、内外圈直径等参数相关。
- 装配误差： 电机各部件的装配精度直接影响电机的性能。如果装配存在误差，例如定子与机座的配合不良，或者转子与轴承的对中偏差，会导致电机运行时产生振动和噪声。
- 结构共振： 电机自身结构存在固有的共振频率。如果电磁激励或机械激励的频率与结构的共振频率接近，就会发生共振，导致振动幅度显著增大，并产生较大的噪声。
气动激励： 电机内部的气流流动也会产生振动和噪声。
- 冷却风扇噪声： 为了降低电机温度，通常会在电机内部安装冷却风扇。风扇旋转时会产生气流，气流与电机内部的零部件相互作用，产生空气动力噪声。
- 通风道噪声： 电机内部的通风道设计不合理，会导致气流流动不畅，产生湍流和涡流，从而产生空气动力噪声。
- 旋转部件气动噪声： 高速旋转的电机部件，例如转子表面，会与周围的空气相互作用，产生气动噪声。

二、PMSM结构振动与噪声的传递路径

了解PMSM结构振动与噪声的产生来源后，还需要深入分析其传递路径，才能更有针对性地采取抑制措施。振动与噪声的传递路径可以大致分为以下几个阶段：

激励源： 电磁激励、机械激励、气动激励是振动与噪声的源头。
传递介质： 电机内部的结构件，如定子铁芯、机座、转子轴等，是振动与噪声的传递介质。振动能量通过这些结构件传递到电机表面。
辐射表面： 电机表面，尤其是机座表面，是振动能量辐射出去的表面。振动能量通过这些表面以声波的形式传播到周围环境中，形成噪声。

不同的激励源产生的振动信号，通过不同的传递路径，最终以不同的噪声频率和强度表现出来。因此，在进行振动与噪声分析时，需要综合考虑各种因素，才能准确判断其来源和传递路径。

三、PMSM结构振动与噪声的抑制措施

针对PMSM结构振动与噪声的多种来源和传递路径，可以采取多种抑制措施，从源头抑制、传递路径阻断、辐射表面控制等多个方面入手。

电磁激励抑制：
- 优化气隙磁场波形： 通过优化永磁体分布、绕组设计、铁芯形状等方式，尽可能减少气隙磁场中的谐波分量，降低电磁力的幅值。
- 斜槽设计： 采用斜槽设计可以有效降低齿槽转矩，减小电机振动。
- 电流谐波控制： 采用先进的变频器控制策略，例如空间矢量脉宽调制（SVPWM）等，可以有效降低电流中的谐波分量，从而降低电磁力的幅值。
- 磁饱和抑制： 合理选择铁芯材料，并控制电机运行时的磁通密度，避免铁芯出现严重的磁饱和现象。
机械激励抑制：
- 转子动平衡： 对转子进行动平衡校正，消除转子不平衡引起的离心力。
- 选用高质量轴承： 选择高精度、低噪声的轴承，并保证良好的润滑。
- 提高装配精度： 严格控制电机各部件的装配精度，保证定子与机座的良好配合，以及转子与轴承的对中性。
- 避免结构共振： 通过有限元分析等方法，分析电机结构的固有频率，并优化结构设计，避免电磁激励或机械激励的频率与结构的共振频率接近。
气动激励抑制：
- 优化冷却风扇设计： 采用低噪声风扇，优化风扇叶片形状，降低风扇旋转产生的空气动力噪声。
- 优化通风道设计： 优化电机内部的通风道设计，减少气流流动阻力，避免产生湍流和涡流。
- 增加阻尼材料： 在电机内部的关键部位，例如机座内壁，增加阻尼材料，可以吸收振动能量，降低噪声辐射。
隔振降噪措施：
- 减振垫： 在电机与基础之间安装减振垫，可以有效隔离电机振动，降低噪声传递。
- 隔声罩： 对电机进行隔声处理，采用隔声罩将电机罩住，可以有效降低噪声向周围环境的传播。