基于电磁噪声分析的外转子永磁同步电机性能优化

《World Electric Vehicle Journal》：Performance Optimization of External Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Electromagnetic Noise Analysis Min Li, Liuyang Yang, Kunfeng Liang, Jinglong Liu, Haijiang He and Xinxue Ye

本期推荐一项关于外转子永磁同步电机（PMSM）电磁噪声抑制的研究。该研究针对外转子PMSM运行中产生的电磁噪声问题，提出了基于响应面法（RSM）和遗传算法（GA）的多目标协同优化方法。通过理论分析与有限元仿真，确定6阶径向电磁力为电磁噪声主源，并以此为核心优化目标，成功在保证扭矩性能的同时，显著降低了径向气隙磁密谐波含量与转矩脉动。该优化方案为解决高扭矩密度电机应用的NVH（噪声、振动与声振粗糙度）难题提供了系统性设计思路，具有重要的工程应用价值。

　　

在现代工业和日常生活中，对高效、节能、紧凑的电驱动系统的需求日益增长。永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）凭借其高功率密度、出色的运行效率和优越的调速性能，已然成为工业驱动、新能源汽车、家用电器等多个领域的核心动力选择。其中，外转子永磁同步电机以其独特的拓扑结构脱颖而出——它将永磁体和转子轭集成为一个旋转外壳，从而获得了更大的转动惯量、更直接的扭矩传递以及更紧凑的轴向空间布局。这使得它在轮毂驱动、直驱风扇、电动工具等对扭矩密度和结构集成度要求极高的应用场景中备受青睐。然而，在电机追求高性能的同时，一个棘手的问题也随之而来：噪声。在电机性能研究中，噪声是一个至关重要的评判标准。其中，电磁噪声源于电磁激励引发的结构振动，是电机噪声的主要来源之一。如何有效抑制外转子PMSM的电磁噪声，成为了提升其综合性能和用户体验的关键课题。

针对这一挑战，研究人员开展了一项名为“基于电磁噪声分析的外转子永磁同步电机性能优化”的研究。这项研究旨在深入分析外转子PMSM的电磁噪声产生机理，并开发一套高效的优化方法来降低噪声，同时确保电机原有的扭矩输出等关键性能不受影响。该研究成果发表在《World Electric Vehicle Journal》期刊上。

为了达成研究目标，研究人员综合运用了多种关键技术方法。首先，他们建立了所研究的10极12槽分数槽外转子永磁同步电机的二维有限元模型，并通过实验验证了仿真模型的正确性。其次，从减振降噪和保证电机性能两个角度出发，对电机定转子拓扑结构进行了针对性优化。他们选取了定子槽口宽度、永磁体形状、气隙长度、辅助槽添加等多个参数，结合综合灵敏度分析，筛选出几个关键变量。随后，构建了一套集成了响应面法和多目标遗传算法（NSGA-II）的协同优化设计框架。具体而言，他们利用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）构建替代模型，以近似计算量巨大的有限元仿真，然后用遗传算法对6阶径向电磁力、平均扭矩和扭矩脉动等多个目标进行寻优，得到Pareto最优解集。最后，通过二维有限元仿真对优化方案进行了负载条件下的验证。

1. 电机模型与分析

研究针对的是一台设计用于风扇驱动的12槽10极分数槽外转子永磁同步电机。研究人员首先建立了电机的二维有限元模型，为后续的电磁力分析和优化提供了基础。

2. 电机径向电磁力分析

为了明确电磁噪声的根源，研究首先对电机的径向电磁力进行了深入分析。通过二维有限元仿真和对电磁力进行理论分析，研究人员识别出电磁力的主要阶次。随后，结合电机的负载和空载实验，最终确定6阶径向电磁力是电磁噪声的主要来源。这一关键发现为后续的优化工作指明了方向。

3. 基于响应面与遗传算法的多目标优化

在明确了6阶径向电磁力是主噪声源后，研究进入了核心的优化阶段。研究人员以6阶径向电磁力、平均扭矩和扭矩脉动作为优化目标，从八个初始优化变量中，通过综合灵敏度分析筛选出三个关键结构参数，并利用这些参数构建了响应面模型。随后，应用遗传算法求解，获得了电机的结构参数优化方案。这一过程实现了在多个相互冲突的目标（降低噪声力与保持扭矩性能）之间寻找最佳平衡。

4. 优化结果验证

优化方案的最终成效需要通过仿真来检验。研究人员在电机负载条件下，使用二维有限元仿真对响应面法得到的优化方案进行了验证。仿真结果显示，与原始设计相比，优化后的电机取得了显著改进：转矩脉动降低了65%；径向气隙磁密在1、3、5、7次谐波含量分别降低了8.7%、6.4%、12.5%和10.7%；尤为关键的是，作为噪声主源的6阶径向电磁力降低了16.4%。

本研究成功开发并验证了一套用于外转子永磁同步电机电磁噪声抑制的系统性优化方法。该方法结合了响应面法与遗传算法的优势，通过理论分析锁定噪声主源（6阶径向电磁力），进而开展多目标协同优化设计。优化后的电机在有效抑制关键电磁力谐波、显著降低转矩脉动的同时，维持了良好的平均扭矩输出。基于实验确定的优势噪声源，这种电磁力的降低有望有效地抑制电磁噪声。该研究不仅为解决外转子PMSM的NVH问题提供了一条清晰、高效的技术路径，其“分析定位-建模替代-多目标寻优”的框架也对其他类型的电机及电磁设备的性能优化具有重要的借鉴意义。未来的工作将在样机上进行实验验证，以进一步确认该优化方法的实际效果。