电机偏心对电磁噪声的影响分析（一）

1 引语

永磁同步电机以其高效节能、高功率密度的优势，在传统工业领域中应用广泛；而随着电动汽车产业的蓬勃发展，它作为核心驱动组件的应用场景也日益普及。在理想工况下，永磁同步电机转子的旋转轴心、几何轴心需与定子轴心精准重合，以保证气隙均匀分布，维持稳定的电磁性能。但实际生产与运行过程中，问题往往难以避免：工业场景下，制造精度的偏差、装配工艺的瑕疵常导致转子偏心；车用场景中，长期处于剧烈的车身载荷与复杂的路面激励作用下，易引发轴承磨损、转轴弯曲等故障——这些因素最终都会造成定、转子轴线不对中，使气隙分布呈现不均匀状态，这种现象被称为电机转子偏心。

根据偏心特性的差异，转子偏心故障主要分为静偏心与动偏心两大类，二者在形成机理与表现形式上存在显著区别：

转子静偏心是永磁同步电机中最为普遍的故障类型之一，其核心特征是定、转子轴心存在固定偏移，转子旋转中心始终偏离定子中心的某一固定方向。这种偏心状态由电机结构装配偏差、定子铁芯装配不同心等固有因素导致，气隙最小点与最大点的位置相对定子固定，不会随转子的旋转而发生改变，仅表现为气隙数值的周期性波动。

转子动偏心同样属于高频发性故障，其形成多与转轴弯曲、轴承内外圈磨损、转子不平衡等动态因素相关。与静偏心不同，动偏心状态下转子的几何中心与旋转中心存在偏差，而旋转中心与定子中心保持重合。这种特性使得气隙偏心的位置会随转子的旋转同步转动，气隙不均匀区域以转子旋转频率绕定子圆周周期性移动，对电机磁场的扰动更为复杂。

电机偏心（包括静态偏心、动态偏心和混合偏心）会破坏气隙磁场的均匀性，引入一系列额外的空间谐波和时间谐波。这导致电磁力波在幅值、频率和空间阶次上发生显著变化，从而加剧电磁振动和噪声。本文将以某一永磁同步电机模型为例，详细描述基于Maxwell软件进行永磁同步电机的转子静、动偏心工况的设定分析，并进一步评估偏心问题带来的电磁力及噪声变化影响情况。

2 分析对象

电机电磁偏心仿真分析中模型是比较重要的一环，一般的电磁仿真分析基本上使用的是1/8、1/4等对称模型进行分析计算，在精确度和高效性上都能得到较好的满足，但对于偏心仿真分析来说，必须要用全模型进行仿真分析，如涉及到轴承不同心的话还需搭建3D模型进行仿真。

本次分析对象为8极48槽永磁同步电机，采用双V型转子磁钢拓扑结构，平均转矩为280Nm，求解类型是瞬态场，其基本参数和断面结构如下所示；

 

电机断面图如下图所示：

 

电机断面示意图

3 电机电磁偏心仿真说明

3.1 模型创建

电机全模型的创建可通过两种方式实现：一是直接利用 RMxprt 软件生成，二是手动绘制建模；若存在对称模型，可基于该模型经旋转复 制操作完成全模型构建。

从经验来讲，RMxprt 生成的模型稳定性更强，出现报错的概率较低；而手动绘制建模易产生各类问题，若建模后出现异常，可按以下要点逐项排查：

• 对称边界设置：全模型不存在对称边界，需将 Symmetry Multiplier（对称系数）参数修改为 1；

• 绕组参数配置：重点检查全模型绕组的赋予是否完整、绕组绕向是否正确、匝数设置是否符合设计要求；

• 磁钢充磁方向：核查磁钢充磁方向是否与设计方案一致，避免因方向错误影响仿真结果；

• 网格划分质量：检查网格划分的均匀性、密度及连续性，确保无网格畸变等问题。

3.2 偏心设置

偏心有几种情况：一种是静偏心，是定转子不同心造成的，通常运行磨损、制造和装配精度不够，往往会造成静偏心；另一种是动偏心，主要是转子外圆与轴不同心或转子不圆造成，轴和定子内圆还是同心的，这种情况下转子旋转时，偏心位置也在发生变化；还有一种则是混合偏心，即上述两种情况存在。

这里以Maxwell软件为例进行电机电磁偏心仿真模型设置的介绍，在Maxwell当中打开菜单栏View→ACT Extensions 对应界面下点击Launch Wizards，具体界面如下图所示。

 

ACT Extensions 界面图

点击Launch Wizards后打开Maxwell Eccentricity即可进入偏心模型设置工具，具体界面如下图所示。

 

Maxwell Eccentricity 界面图

基本含义解释：

（1）Rotating Part Eccentricity：旋转部件偏心率，仅适用于指定区间内的旋转对象，不包括区间本身。

（2）Rotating Axis Eccentricity：旋转轴偏心率，仅影响运动轴，从而有效地移动带条，但不影响其中的旋转对象。

3.2.1 动偏心

针对动偏心的仿真，调整的是旋转部件的偏心值，对旋转轴不做调整；在Rotating Part Eccentricity 中填写对应的偏移值，如x方向偏移0.2mm，输入（0.2,0）即可，具体设置界面如下图所示。

 

动偏心设置界面图

从几何模型上可以看到左侧气隙由0.8mm变为了1mm，右侧气隙由0.8mm变为了0.6mm，旋转区域整体向x向负方向平移了0.2mm，如下图所示。

 

 

动偏心模型调整示意图

3.2.2 静偏心

针对静偏心的仿真，调整的是旋转部件和旋转轴的偏心值；在Rotating Part Eccentricity 以及Rotating Axis Eccentricity中填写对应的偏移值，如x方向偏移0.2mm，在这两处分别输入（0.2,0）即可，具体设置界面如下图所示。

 

动偏心设置界面图

从几何模型上可以看到左侧气隙由0.8mm变为了1mm，右侧气隙由0.8mm变为了0.6mm，旋转区域整体向x向正方向平移了0.2mm；同时将旋转中心轴也同步向右侧偏移了0.2mm，如下图所示。

 

 

 

静偏心模型调整示意图

3.2.3 混合偏心

针对混合偏心的仿真，调整的是旋转部件和旋转轴的偏心值，在Rotating Part Eccentricity 以及Rotating Axis Eccentricity中填写相应的偏移值，如旋转部件x方向偏移0.2mm，旋转轴偏移0.1mm，在这两处分别输入（0.2,0）,(0.1,0)即可，具体设置界面如下图所示。

 

动偏心设置界面图

从几何模型上可以看到左侧气隙由0.8mm变为了1mm，右侧气隙由0.8mm变为了0.6mm旋转区域整体向右侧x向平移了0.2mm；同时将旋转中心轴也同步向右侧偏移了0.1mm，具体可从模型图上查看，如下图所示。

 

 

 

混合偏心模型调整示意图

4 电机动偏心下的电磁力影响分析

4.1 动偏心对电磁力阶次的影响分析

动偏心即转子几何中心与定子几何中心不重合，转子旋转中心为定子几何中心，为分析动偏心对电磁力阶次（空间阶次、频率阶次）的影响，这里通过计算电机不同动偏心量下的径向电磁力二维傅里叶分解结果如下图所示：

 

动偏心+0.1mm下的径向电磁力二维分解图

 

动偏心+0.2mm下的径向电磁力二维分解图

 

动偏心-0.1mm下的径向电磁力二维分解图

 

动偏心-0.2 mm下的径向电磁力二维分解图

可以看出，增加动态偏心缺陷后电机径向电磁力频率阶次特征及空间阶次均被±1调制，导致出现频率和空间均出现±1、±7阶的电磁力。

4.2 频率8阶电磁力影响分析

不同尺寸下的转子动偏心量对8阶转矩、空间0阶频率8阶径向电磁力计算结果影响如下图所示：

 

转子动偏心对8阶转矩影响图

 

转子动偏心对8阶径向电磁力影响图

转子动偏心在-0.2mm至+0.2mm区间变化时，对8阶转矩、径向电磁力在全转速段影响介绍如下：

（1）转子动偏心对8阶转矩的影响较大，变化量最大可达10倍以上。

（2）转子动偏心对8阶径向电磁力的影响较大，变化量分别最大可达约200%；

（3）转子动偏心对8阶电磁力敏感性影响较大。

4.3 频率48阶电磁力影响分析

不同尺寸下的转子动偏心量对48阶转矩、空间0阶频率48阶径向电磁力计算结果影响如下图所示：

 

转子动偏心对48阶转矩影响图

 

转子动偏心对48阶径向电磁力影响图

转子动偏心在-0.2mm至+0.2mm区间变化时，对48阶转矩、径向电磁力在全转速段影响介绍如下：

（1）转子动偏心对48阶转矩的影响较小，尤其在中低速的恒转矩段几乎没有影响。

（2）转子动偏心对48阶径向电磁力的影响较大，变化量分别最大可达约100%以上；

（3）转子动偏心对48阶电磁力敏感性影响较小。

5 电机静偏心下的电磁力影响分析

5.1 静偏心对电磁力阶次的影响分析

静偏心为转子几何中心与定子几何中心不重合，旋转中心为转子几何中心，为分析静偏心对电磁力阶次（空间阶次、频率阶次）的影响，这里通过计算电机不同静偏心量下的径向电磁力二维傅里叶分解结果如下图所示：

 

静偏心+0.1mm下的径向电磁力二维分解图

 

静偏心+0.2mm下的径向电磁力二维分解图

可以看出，增加静态偏心缺陷后电磁力频率阶次特征与理想电机相同，空间阶次则被±1调制。由于0阶、±8阶、±16阶空间电磁力被±1调制后，出现新的±1、±7、±15阶空间电磁力。

5.2 频率8阶电磁力影响分析

不同尺寸下的转子静偏心量对8阶转矩、空间0阶频率8阶径向电磁力影响计算结果如下图所示：

转子静偏心对8阶转矩影响图

 

转子静偏心对8阶径向电磁力影响图

转子静偏心量在-0.2mm至+0.2mm区间变化时，在全转速段对8阶转矩、径向电磁力影响介绍如下：

（1）在中低速段6000rpm以下，转子静偏心对8阶转矩、径向电磁力变化很小，可忽略；在中高速段6000rpm以上，转子静偏心对8阶转矩、径向电磁力变化量最大分别超过80%、50%；

（2）在全转速段，转子静偏心对8阶转矩及径向电磁力基本呈现增大趋势。

5.3 频率48阶电磁力影响分析

不同尺寸下的转子静偏心量对48阶转矩、空间0阶频率48阶径向电磁力影响计算结果如下图所示：

转子静偏心对48阶转矩影响图

 

转子静偏心对48阶径向电磁力影响图

转子静偏心量在-0.2mm至+0.2mm区间变化时，在全转速段对48阶转矩、径向电磁力影响介绍如下：

（1）转子静偏心在整个转速段对48阶转矩的影响较小，几乎可以忽略。

（2）转子静偏心对48阶径向电磁力的影响较小，变化量分别最大20%以内；

（3）转子静偏心对48阶电磁力敏感性影响较小。

6 电机混合偏心下的电磁力影响分析

6.1 混合偏心对电磁力阶次的影响分析

混合偏心即转子几何中心与定子几何中心均不重合，考虑到混合偏心对空间阶次的影响，为分析混合偏心对电磁力阶次（空间阶次、频率阶次）的影响，这里通过计算电机不同混合偏心量的径向电磁力二维傅里叶分解结果如下图所示：

 

混合偏心动+0.1静-0.1方案的空间频率阶次图

 

混合偏心动-0.2静+0.1方案的空间频率阶次图

可以看出，增加混合偏心缺陷后电磁力频率阶次特征及空间阶次均被±1至2调制，导致出现频率和空间均出现±1、±3、±7、±9阶的电磁力。混合偏心时，电磁力阶次变化是静态和动态偏心效应的叠加，导致更多低阶和高阶力波同时出现，使电磁力分布更加复杂。

6.2 频率8阶电磁力影响分析

不同尺寸下的转子混合偏心量对8阶转矩、空间0阶频率8阶径向电磁力计算结果影响如下图所示：

 

转子混合偏心对8阶转矩影响图

 

转子混合偏心对8阶径向电磁力影响图

转子混合偏心量在上面给定的5组尺寸变化时，对8阶转矩、径向电磁力在全转速段影响介绍如下：

（1）转子混合偏心对8阶转矩和径向电磁力的影响较大，变化量最大可达10倍以上。

（2）转子混合偏心对8阶电磁力敏感性影响较大。

6.3 频率48阶电磁力影响分析

不同尺寸下的转子混合偏心量对48阶转矩、空间0阶频率48阶径向电磁力计算结果影响如下图所示：

 

转子混合偏心对48阶转矩影响图

 

转子混合偏心对48阶径向电磁力影响图

转子混合偏心量在上面给定的5组尺寸变化时，对48阶转矩、径向电磁力在全转速段影响介绍如下：

（1）转子混合偏心对48阶转矩的影响较小，转子混合偏心对48阶径向电磁力的影响较大；

（2）转子混合偏心对48阶电磁力敏感性影响较大。

7 结论

本文对转子偏心时的永磁同步电机电磁力影响进行仿真分析，在准确分析激励源的基础上，为后续分析偏心对电机振动噪声的影响奠定了基础，并得到以下结论:

（1）气隙磁场的不均匀会引发电磁力波的改变。偏心时，电磁力的空间阶次和频率阶次会发生调制，例如静偏心会使电磁力空间阶次被±1调制，动偏心则会使空间阶次和频率阶次均被±1调制。这会导致电磁力波中出现新的低阶力波（如±3阶力波），而低阶力波对电磁噪声的影响更为显著。混合偏心时，电磁力阶次变化是静态和动态偏心效应的叠加，导致更多低阶和高阶力波同时出现，使电磁力分布更加复杂，从而导致的振动噪声也更为复杂。

（2）电磁力波的变化会作用于定子和转子，使其产生径向振动。当电磁力波的频率与电机结构的固有频率接近或重合时，会发生共振现象，导致振动幅值大幅增加，振动通过电机机壳传递到周围空气，形成电磁噪声。偏心使径向电磁力波（特别是低阶力波，如0阶和2阶）幅值大幅增加，成为更强烈的噪声激励源。电机偏心程度越大，电磁力波的幅值和频率变化越明显，振动和噪声也会越强烈。电机偏心会使电机的电磁噪声频谱出现新的峰值或边频成分。例如，在静偏心或动偏心情况下，可能会在结构模态对应的频率处（如椭圆模态频率）出现噪声峰值，或产生与偏心相关的特定阶次噪声（如与极数、槽数相关的阶次）。后续我们将重点通过仿真分析说明电机偏心下的电磁力如何与结构模态产生新的共振现象，从而加剧低阶模态频率处（如椭圆模态）的电磁噪声。