科学技术创新2021.11
随着能源问题和环境污染问题的日益严重，新能源汽车越
发受到各国的高度关注，驱动电机作为电动汽车核心部件，
其性能优劣直接影响电动汽车的品质。永磁同步电机凭借其具有优
越的调速性能、高效率、恒转矩区长等优点，
在电动汽车行业被选用得最多[1]。目前消费者对汽车的舒适性要求越来越高，而电动汽
车运行时的主要噪音来自于驱动电机，
严重影响了行驶过程中的乘坐舒适性。
本文以某电动汽车永磁同步电机为研究对象，从解决实际项目开发中遇到的问题为出发点，对该电机的电磁振动噪声进行仿真研究与优化改进。首先对永磁同步电机初始电磁方案进行电磁结构振动噪声仿真分析，并着重对电机径向磁密与径向电磁力展开分析。然后针对初始方案仿真分析结果对电机电磁方案进行优化改进。最后对比初始方案与优化改进方案的仿真结果，证实了优化方案的有效性。
1电磁激励分析
对于电动汽车电机而言，电机的电磁振动是导致电磁噪声进而引发电机噪声的根本原因。永磁同步电机的定子和转子之间有较强的电磁吸引力，其振动主要是由电磁吸引力的径向分量
引起的，径向分量会导致定子变形，
所以当电机的转子转动时，会直接导致定子的机械振动[2]。因此，在对永磁同步电机电磁振动振动噪声进行分析前，应该先对电磁吸引力进行研究。
永磁同步电机的电磁吸引力切向分量产生电磁转矩，对电机振动的影响较小，故只考虑径向分量对电机振动的影响，根据麦克斯韦应力张量法，对作用在电机定子齿面单位面积上的径向电磁力的瞬时值为[3]：
（1）
其中，f n （θ，t ）为单位面积瞬时电磁力；b （θ，t ）为电机气隙磁密，t 为时间，θ为空间角度；μ0为真空磁导率。
从上式可看出分析电磁力关键在于对其时空二维进行谐波分析，电机电磁力谐波主要由转子磁场自身、定子绕组电枢反应、以及定转子磁场谐波相互作用产生。对于整数槽永磁同步电机，其电磁噪声主要由电机定转子高次谐波磁场相互耦合作用所致[4]。定子绕组与转子谐波磁场次数分别为：（2）（3）其中，γ为定子磁场谐波次数，μ为转子磁场谐波次数，p
为电机极对数。
因此，电机定转子谐波磁场相互作用所产生的径向电磁力波次数为：
（4）
式中r 电机径向电磁力波次数。整数槽永磁同步电机中每块
永磁体所对应的定子齿数全部相同，
电磁力波次数只能为0次或电机极对数的整数倍[5]。本文所采用研究的永磁同步电机为48槽8极，是整数槽，所以该电机的径向电磁吸引力波的空间阶次为0、8次等。
2有限元仿真分析2.1电机电磁仿真模型
永磁同步电机电磁仿真模型如图1所示。其主要参数如表1所示。
表1电机主要参数
图1电机电磁仿真模型2.2径向电磁力仿真分析
选定某一分析工况，设置好时间步长、
计算时间、转速等参数后，在电磁仿真软件中进行电机电磁仿真分析。得到该工况下电
机气隙空间中某点径向电磁力波随时间的变化如图2所示。由图2可知，永磁同步电机电磁力波的径向分量的空间阶2n 0b (,t)
f (,t)2
116k 1p k 12  3...      （），，，，222k 1p k 1,    （），，
1212r 2p 3k k 1r 2p 3k k {            （）（）
永磁同步电机电磁振动仿真及优化
李有通罗钦李沁逸刘嘉林
（广安职业技术学院，
四川广安638000）摘要：以某新能源汽车永磁同步电机为研究对象，建立其二维电磁模型，
进行某特定工况下的电磁仿真分析，得到其径向电磁力波，并对径向电磁力波进行分析。然后结合电机定子组件进行电磁结构振动耦合仿真，得到电机定子组件表面的等效声功
率值。最后根据原电机方案电磁仿真结果，对电机转子结构进行优化改进，
电动汽车电机
并对两种方案电机定子组件表面的等效声功率值进行对比。结果表明，新方案电机定子组件表面特定阶次的等效声功率值较原方案明显降低，可为永磁同步电机的电磁振动噪声的抑制提供参考。
关键词：电机；径向电磁力；仿真；
等效声功率；优化改进中图分类号：U463文献标识码：A 文章编号：2096-4390(2021)11-0026-0326--
2021.11
科学技术创新次等于电机定子模态阶次，同时与定子相对应阶次的模态频率相近时，此时电机产生共振。对上文中空间某点随时间分布的电磁力波利用二维傅里叶变换进行时空分解，
得到该径向电磁力波的谐波随频率分布，如图3所示。图3空间某点电磁力波随频率分布
从上图可看出该工况下电机的径向电磁力波谐波幅值最大
处对应频率为该工况下激励电流频率的两倍。在该工况下，
电机电磁力谐波径向分量上的频率为电机转频的0、8、16倍等，是电机转频极数的整数倍。电机电磁力径向分量上的空间阶次越低，电机在径向上的变形就越大。电机电磁力的径向分量作用在定子上所产生的振动量与空间阶次的四次方成反比[3]。所以，只研究空间低阶电磁力波在径向分量上对振动噪声的影响。
2.3电磁结构振动耦合仿真分析
在电磁结构耦合仿真软件中建立电机定子组件有限元模型，采用模态叠加法耦合电机电磁仿真所得径向电磁力与电机定子组件结构模型，计算电机定子组件外表面的振动响应。定子组件的材料参数如表2所示。
表2定子组件材料参数
仿真计算所得电机定子组件的零阶模态频率为5235Hz ，
对电机定子组件在模态分析的基础上耦合径向电磁力波结果做谐响应分析，得到该工况下电机定子组件表面的等效声功率如图4
所示。
图4等效声功率
从图4中可看出该工况下电机定子组件表面的等效声功率
值整体偏大，最大值48阶对应点达到了90.14dB ，8阶及其倍频16、24阶等阶次对应点的幅值也较大，
显然无法满足实际工程项目需求。3优化改进分析
针对上文所得电机定子组件表面电磁振动等效声功率幅值
偏大的问题，从减小其径向电磁力波幅值的角度，
减小电磁振动噪声响应激励以减小振动噪声。
原电机电磁方案仿真得到该工况下某一时刻电机磁力线分布如图5所示。
图5原方案某时刻磁力线分布图
可看出该电机磁路设计还有很大的优化空间，
可以在电机转子某些磁力线突变的位置上开孔，以隔断磁力线，优化磁路，减小磁场突变，使电机定子电枢谐波磁场与转子谐波磁场相互
抑制，减小磁场脉动，从而实现减小电机电磁径向力波，
降低电机径向电磁结构振动。针对原方案电机转子拓扑结构，在转子
永磁体靠近电机气隙角处开隔磁孔优化电机磁路，
具体优化
方部件
密度（kg/m 3
） 弹性模量(MPa) 剪切模量(MPa) 泊松比
绕组线圈
6328
Ex=Ey=220 Ez=370
Gxz=Gyz=180 Gxy=110
0.31
图6优化方案模型图2空间某点电磁力波随时间分布
（转下页）
27--
科学技术创新2021.11
温度影响下基于主成分分析方法的损伤识别
梁李源杨晓林*邵红艳
（青海大学土木工程学院，青海西宁810016）
结构模态参数的环境影响因素非常复杂，环境因素的影响难以直观地进行分析。许多研究表明，温度是最重要的因素，温度变化引起的模态频率的波动可能会淹没微小结构损伤而导致的频率波动[1]。
自古至今，桥梁是各国基础建设的核心所在，
从某种层面而言，桥梁的建设水平和建设现状是评价一个国家工业化程度
的重要依据。如今，中国已经成为桥梁大国，
在国家层面上，政府十分重视民生工程，并将设施建设摆在首位，
投入大量资金对桥梁、公路、铁路等进行建设，
在当前发展阶段，桥梁也朝大型化、复杂化方向推进[2]。现如今，工程技术人员的技术素质普
遍提高，工程质量得以保证，桥梁具备更高的强度、
抗腐蚀性和抵抗自然灾害的能力。
目前，基于数据采集和无线技术，
可以利用安装在结构上的传感器获取结构本身的属性信息，依据有效的属性信息，选取合适的损伤特征提取方法，通过对响应数值分析后对桥梁健康状态进行综合性安全评估[3]。如今，桥梁结构健康诊断技术也
愈渐丰富和全面，并朝着自动化、
智能化方向发展，为保障人类生命财产安全作出巨大贡献。
现今，去除温度对结构模态影响主要有两种方法：
一种方法是通过模态频率和构建温度定量模型归一化模态参数，
使其成为相同的温度水平层面进行损伤识别；
另一种方法是直接研究模态频率，为弄清损伤导致模态频率的变化并达到剔除温度
影响的目的，以温度做为模态频率的潜在影响变量，
并采用主成分分析法对温度产生的影响进行消除后再进行损摘要：结构损伤实际上是结构性态的改变，结构损伤识别就是要根据结构性态的变化去判断结构损伤的情况，尽管已经研
究出各种成熟的识别方法，但是温度对结构损伤识别的影响仍未达到理想的结果。对此，本文采用主成分分析方法剔除环境温度
对结构的影响再对结构进行损伤识别。
关键词：温度；损伤识别；
主成分分析中图分类号：TU317文献标识码：A 文章编号：2096-4390(2021)11-0028-03（转下页）
案如图6所示。
运用新的电机转子拓扑优化方案进行电磁结构振动耦合仿真分析，可得新方案的电机定子组件表面的等效声功率与原方案等效声功率值对比如图7所示。
图7两种方案等效声功率对比
可看出新方案电机组件表面等效声功率值整体较原方案降低明显。该工况下电机8、48阶噪声对应的频率点266Hz 、1600Hz 处等效声功率值降低了10dB 左右，效果明显。从结果可以看出，在电机转子上某些关键位置开隔磁孔可以有效抑制电机某些特定阶次对应的谐波含量，能够降低电机相关阶次的电磁振动噪声值。
4结论
本文着重分析了永磁同步电机电磁激励原理，建立了某永磁同步电机的二维电磁仿真模型，进行仿真分析得到电机径向电磁力波结果，并对径向电磁力波结果做二维傅里叶变换分解分析。然后结合电机电磁仿真结果与定子组件结构模型进行电磁
结构振动耦合仿真，得到定子组件表面振动响应。最后针对原方
案电磁仿真模型定子结构做拓扑优化，
并进行电磁结构振动耦合仿真，得到响应值，与原方案响应值进行对比分析。结果表明，
在永磁同步电机转子某些关键位置开隔磁孔可以有效地降低电机特定阶次的电磁振动噪声值。
参考文献
[1]刘铭传.非理想永磁同步电机的电磁振动分析[D].哈尔滨：
哈尔滨工业大学,2017.
[2]何志伟.小功率永磁同步电机电磁振动与嗓声分析[D].上海：
上海电机学院,2016.
[3]左言言.永磁同步电机电磁振动与噪声分析[D].镇江：江苏大学,2015.
[4]黄信，谭耿锐，杜晓斌.永磁同步电动机电磁振动噪声的分析与研究[J].防爆电机,2017,52(03):1-5.
[5]李岩，李双鹏，周吉威，李龙女.基于定子齿削角的近极槽永磁同步电机振动噪声削弱方法[J].电工技术学报,2015,30(06):45-52.
基金项目：四川省高校人文社会科学重点研究基地四川省
教育信息化应用与发展研究中心（项目编号：JYXX20-029）。
广安市2019年市级科技创新重点基础研究项目（项目编号：2020-20）；
广安市2020年度教育科研项目（项目编号：2020-58）；
广安职业技术学院2020年度院级教改课题（项目编号：GAZYJG-25）；
作者简介：李有通（1986，11-），男，籍贯：四川广安，
学历：本科，职称：讲师，研究方向：汽车结构，
新能源汽车。新方案等效声功率原方案等效声功率
频率/Hz
28--