城轨车辆永磁电机振动噪声测试及特性分析

丁 杰，尹 亮

(湖南文理学院 机械工程学院，常德 415000)

0 引 言

永磁电机具有结构简单、体积小、质量轻、损耗低和效率高等优点，已在城轨车辆中得到应用[1]。永磁电机在运行过程中存在因定子内表面电磁力、转子偏心及电流谐波等因素导致的电磁噪声，因叶片旋转导致的气动噪声，以及因转子转动不平衡、轴承等因素造成的机械噪声[2]。噪声会对人体的神经系统、心血管系统和听觉系统等产生一定的影响，因此，永磁电机的噪声问题得到了人们的高度关注。

国内外学者从理论分析、仿真计算和实验测试等方面对电机噪声开展了大量研究。Gieras J F等[3]针对多相电机的噪声问题进行了系统研究。李晓华等[4-5]通过分析电磁力波特征参数和谐波来源，查找出电动汽车内置式永磁同步电机的主要振动噪声源，建立逆变器电流-电磁场-结构场的联合仿真模型，探讨了不同工况电流谐波对电机振动噪声特性的影响。付敏等[6]应用有限元法和傅里叶分解，得出电机的振动噪声问题主要由阶次力波及谐波分量引起。王晓远等[7]通过对电动汽车永磁同步电机进行的电磁场、模态、振动响应和电磁噪声仿真分析，提出了一种降噪效果较明显的转子优化结构。Tsoumas I P等[8]指出，逆变器输出电流受脉宽调制的影响，包含开关频率的倍频及其边频带的谐波，由此导致的电机窄带噪声会使人感到不适。Kurihara N等[9]提出了减小谐波降低电机噪声的方法。冯勤龙等[10]通过定子铁心的模态分析，确定某乘用车驱动电机径向电磁力是产生低速啸叫问题的主要原因。

本文针对某城轨车辆永磁电机开展不同工况的振动噪声测试及特性分析，获得永磁电机气动噪声、电磁噪声随转速变化的规律以及永磁电机噪声与振动的关系，为提高永磁电机的噪声水平提供指导。

1 永磁电机的电磁力波理论分析

采用逆变器驱动的永磁电机，其定子电流是包含谐波的非正弦电流，用傅里叶级数表示：

(1)

式中:n为时间谐波次数，n=2m1k±1，m1为相数，k=0,1,2,3,…；I1mn为n次谐波电流峰值；ωn为n次时间谐波电流的角频率；φi为n次时间谐波电流的相位角。

n次时间谐波引起的定子、转子磁通密度空间-时间变化关系：

(2)

(3)

式中:ν和μ分别为定子和转子空间谐波次数；Bmνn和Bmμn分别为定子和转子磁通密度谐波幅值；p为电机极对数；α为距离坐标系原点的角度；ωn=2πnf为定子绕组时间谐波电流角频率，f为基波频率；ωμ,n为n次时间谐波对应的转子系统μ次空间谐波角频率；φμ,n为n次时间谐波对应定子、转子空间谐波向量之间的角度差。

由麦克斯韦应力张量，可得定子、转子的同次谐波电磁径向力：

(4)

(5)

式中:μ0为自由空间的磁导率。

定子、转子谐波相互作用的电磁径向力：

(ωn-ωμ,n)t-φμ,n]+cos[(ν+μ)pα∓

(ωn+ωμ,n)t+φμ,n]}

(6)

逆变器的开关频率与高次时间谐波相互作用，将产生较大的电磁力。转子偏心会导致电机气隙脉动，从而引起磁通密度波动，产生单侧磁拉力。

2 永磁电机的测点布置及测试工况

某城轨车辆风冷永磁电机的额定功率为190 kW、极对数为4、转速范围为0～3 000 r/min、额定转速为1 900 r/min。城轨车辆上线运行后，现场反馈永磁电机的噪声过大，可听到明显的电磁啸叫声。为获得永磁电机的噪声特性，利用B&K振动噪声测试系统在半消室开展永磁电机的噪声与振动测试。

噪声测试采用五点法，测点1～测点5分别布置在永磁电机的传动轴端(出风口)、右侧、后端(进风口)、左侧和顶部，距离被测表面1 m处，分析频率取25.6 kHz。振动测试采用7个三向加速度传感器，分别布置在永磁电机的轴承座、传动轴端上部、后端上部、右侧面上部、左侧面上部、右侧面下部和左侧面下部，全程检测各测试工况下的电机振动状态。其中，振动测点的纵向、垂向和横向分别定义为平行于电机轴、垂直于地面和垂直于电机轴且平行于地面。测试现场及噪声测点布置如图1所示。

图1 测试现场及噪声测点布置

永磁电机的测试工况有4种。测试工况1：顺时针转向，每级间隔200 r/min，逐级加速至3 000 r/min；测试工况2：逆时针转向，每级间隔200 r/min，逐级加速至3 000 r/min；测试工况3：顺时针转向，连续加速至3 000 r/min后断电减速；测试工况4：逆时针转向，连续加速至3 000 r/min后断电减速。

3 永磁电机的噪声特性分析

3.1 不同测试工况的噪声值对比

为分析转向与转速对永磁电机噪声值的影响，图2为测试工况3和测试工况4的各测点噪声值对比。可以看出：(1)顺时针和逆时针转向对永磁电机噪声的影响很小，这与永磁电机通风散热用的叶片为平直结构有关；(2)对比连续加速与断电减速工况下的噪声值，2 000 r/min以上时两者差异较小，2 000 r/min以下时两者差异较大，1 000 r/min时两者差值约为10 dB(A)；(3)额定转速1 900 r/min时的噪声值约为80.3 dB(A)，3 000 r/min时的噪声值为91.3 dB(A)。

图2 不同测试工况的噪声值对比

3.2 不同转速的噪声值对比

图3为顺时针转向逐级加速过程测点1在200 r/min、1 000 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min等不同转速下的噪声频谱和1/3倍频程对比。可以看出：(1)永磁电机通电会产生电磁噪声，转速范围0～900 r/min的电磁噪声较小，转速范围900～1 200 r/min的电磁噪声急剧增大，主要噪声中心频率为4 000 Hz，转速范围1 200～3 000 r/min的电磁噪声先降低后稳定，电磁噪声频率单一，体现为尖锐的叫声，是影响人主观感受的主要因素；(2)转速1 000 r/min时的电磁频谱峰值突出，1 500 r/min以上时的气动噪声增加较快，2 000 r/min以上时主要为气动噪声，主要噪声中心频率为1 250 Hz，电磁噪声不再突出；(3)永磁电机的轴上带有13个叶片，转速1 000 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min的叶片通过频率分别为217 Hz、433 Hz和650 Hz，这些特征频率在图3(a)的频谱曲线中均有体现。

图3 测点1不同转速时的噪声频谱对比

图4为顺时针转向断电减速过程测点1的声压级时间-频率色谱图。随着时间的增加，永磁电机的转速在不断降低，不同频率点的声压级也在下降。由声压级时频色谱图可以看出，永磁电机在断电减速过程中，不再有电磁力的作用，永磁电机的噪声表现出以气动噪声为主，噪声值大小随转速逐渐降低，主要中心频率为1 250 Hz。

图4 断电减速过程测点1的声压级时频色谱图

3.3 永磁电机法兰对噪声的影响

图5为顺时针转向逐级加速时，测点1和测点3在不同转速下的噪声值对比。测点1和测点3分别对应永磁电机的出风口和进风口，由图5可以看出，不同转速下，进风口噪声高于出风口噪声1.1～5.9 dB(A)，其中，1 400 r/min、1 600 r/min和1 800 r/min等转速的进出风口噪声差值分别为5.9 dB(A)、4.7 dB(A)和3.6 dB(A)。进出风口噪声差值较大的原因主要是永磁电机法兰的阻碍作用造成的。

图5 不同转速下测点1和测点3的声压级对比

现场测试也发现，永磁电机法兰端正前方出风口(测点1)的噪声值受法兰阻挡影响，噪声值比附近区域偏小。为进一步分析法兰对噪声的影响，测试时在测点1旁边45°角、距离1 m布置测点6，(如图6所示)。通过对比分析可知，1 800 r/min、2 400 r/min和3 000 r/min等转速下测点6的噪声值分别为80.7 dB(A)、87.9 dB(A)和93.3 dB(A)，超出测点1噪声值2.8 dB(A)、3.3 dB(A)和3.5 dB(A)，表现出噪声差值随转速增大而增大的趋势。

图6 出风口及出风口45°角的噪声测点

图7为转速3 000 r/min时测点1(出风口)、测点3(进风口)和测点6(出风口45°)的噪声1/3倍频程。可以看出，测点6的噪声值比测点1大3 dB(A)左右，当永磁电机转速高于2 000 r/min后，测点6的噪声值大于测点3，且以气动噪声为主，中心频率为1 250 Hz。结合噪声测试标准，应将电机法兰卸下，建议以出风口45°噪声值替代出风口噪声值。

图7 转速3 000 r/min时进出风口噪声1/3倍频程

4 永磁电机噪声与振动的关系

4.1 不同测试工况的振动特性

为了分析永磁电机噪声与振动的关系，图8给出永磁电机通电加速和断电减速过程中振动测点1的垂向加速度时频色谱图，其他测点及不同振动方向的结果未列出。由图8(a)可以看出，随着时间的增加，永磁电机的振动在增大，主要包括阶次振动和电磁振动，56阶和104阶这两个明显的阶次信号与永磁电机转速相关，电磁振动表现为开关频率倍频(2 000 Hz和4 000 Hz)的谐波成分，还包括120 Hz和1 067 Hz等特征频率。由图8(b)可以看出，随着时间的增加，永磁电机的振动在减小，主要包括阶次振动，56阶和104阶这两个阶次信号明显，还包括1 067 Hz和3 500 Hz附近的特征频率。

图8 通电和断电过程的永磁电机轴承座垂向振动对比

图9为振动测点1在通电加速和断电减速工况不同转速下各方向的振动加速度有效值对比。分别对比各方向在通电加速和断电减速的加速度有效值差值大小，可知：(1)转速高于1 800 r/min时，永磁电机轴承座的纵向振动开始明显增大，高于垂向和横向的振动；(2)通电加速和断电减速工况下，纵向振动的加速度差值在转速1 200 r/min最大，垂向振动的加速度差值也在转速1 200 r/min最大，而横向振动的加速度差值在转速1 400 r/min最大；(3)转速范围0～1 800 r/min时，电磁振动是永磁电机振动的主要组成部分；转速范围1 800～3 000 r/min时，主要来源为电机转动产生的振动。

图9 振动测点1的加速度有效值对比

4.2 永磁电机的1阶振动

图10是将图8的时频色谱图横坐标频率范围调整为0～200 Hz。由图10可知，永磁电机存在1阶振动，在电机高转速时相对明显。电机1阶振动主要反映因电机装配误差造成的轴承动、静平衡问题引起的振动。因此，应密切关注永磁电机在长期使用后可能出现的1阶振动过大现象。

图10 永磁电机的1阶振动

5 结 论

通过对某城轨车辆永磁电机开展振动噪声测试及特性分析，得到以下结论：

(1)顺时针、逆时针转动对永磁电机噪声影响非常小，额定转速1 900 r/min的噪声值约为80.3 dB(A)，3 000 r/min时的噪声值为91.3 dB(A)；

(2)永磁电机断电减速过程以气动噪声为主，噪声大小随转速逐渐降低，主要噪声中心频率为1 250 Hz；

(3)永磁电机通电加速过程产生电磁噪声，转速范围0～900 r/min的电磁噪声较小，转速范围900～1 200 r/min的电磁噪声急剧增大，主要噪声中心频率为4 000Hz，转速范围1 200～3 000 r/min的电磁噪声先降低后稳定，2 000 r/min以上的电磁噪声不再突出，主要以气动噪声为主；

(4)转速范围0～1 800 r/min以电磁振动为主，转速范围1 800～3 200 r/min主要为电机转动产生的振动，同时，电机存在因装配误差产生的1阶振动。