轴向磁通电机NVH机理、分析方法及典型案例全解析

1.概述  

1.1 背景介绍

永磁同步电机以其高功率密度、高转矩密度和高效率等众多优势逐步成为电动汽车用主驱电机的首选。随着新能源汽车的迅速发展，人们对汽车的要求不仅是数量多，更是质量好。电动汽车用的驱动电机运行过程中会产生啸叫现象，人耳对此声音的频率较为敏感，电机的振动噪声直接影响着电动汽车的销量和体验感受，汽车的振动噪声即NVH是衡量汽车制造质量优劣的最直观感受。目前电动汽车的问题大约有三分之一是与整车的NVH有关，各大新能源汽车公司花费相当多比例的汽车研发费用用于抑制整车的振动噪声问题。

根据磁场导通路径的方向不同，永磁同步电机可以分成径向磁通永磁同步电机和轴向磁通永磁同步电机。有关径向磁通永磁同步电机的振动噪声特性，国内外已经做了大量的研究，并且通过结构优化抑制径向电磁力，最终通过大量实验证明其正确性；而轴向磁通永磁同步电机的振动噪声特性还停留在理论验证的层面，基本还在验证轴向电磁力与轴向振动的关系，极少对轴向电机的振动与噪声进行研究，这里将对轴向电机的NVH问题及其分析方法等进行系统的介绍。

1.2 轴向电机基本原理及构造

轴向磁场永磁电机的主磁场是经过轴向气隙经由定转子回路形成的磁通闭合路径，电磁转矩是在轴向空间气隙中定转子磁场相互作用的结果，如下图所示。由于轴向磁通电机的气隙是扁平的，与径向磁通电机相比，同样的外形尺寸下气隙磁场的作用范围更大，因此输出转矩更高，转矩密度高。

 

轴向电机磁路原理

轴向永磁电机结构多样，根据定子与转子盘的安装位置以及定转子的个数可分为四类：单定子单转子结构、双定子单转子结构、单定子双转子结构和多盘式结构。双转子单定子结构的磁路对称，运行时收到的电磁力是对称的，因此应用最为广泛。单定子双转子轴向磁通永磁同步电机定子两侧开槽，绕组以环形嵌套在定子槽内；两转子均为盘状，且转子上贴有永磁体（N、S极交错分布），定子和转子均以转轴为圆心周向分布，所产生磁场及气隙磁通均为轴向，这种电机结构紧凑、运行效率高。

 

轴向磁场永磁电机典型拓扑

（1）轴向磁通电机拓扑结构中最基础的是单定子单转子结构，其他复杂结构都是由其演变而来，该类电机由单定子和单转子组成，只存在单个气隙。这种结构的定转子间存在较大轴向磁拉力，会增加轴承载荷，影响电机寿命，所以研究价值不高。

（2）轴向磁通电机中的单定子双转子结构轴向磁场永磁电机是由两个在外侧的转子和在中间的定子组成，此结构也是轴向磁场永磁电机最常用的拓扑结构之一。该种结构电机由于具有较好的轴向对称性，理想状态下可以相互平衡，定子受两侧对称电磁力影响，电机的稳定性也较好，从而减少轴向力产生的电磁损耗和机械损耗，有利于提高电机的功率密度。

（3）轴向磁通电机中的双定子单转子结构在转子两侧有两个气隙，中间转子旋转可增加散热量，永磁体可以选择表贴式或内置式结构。转子位于两个定子之间，形成“双定子夹转子”的夹层式结构。定子铁芯采用环形绕组或无轭设计（如YASA结构），转子两侧贴装永磁体（通常为NS或NN排列）。对称设计抵消单边磁拉力，降低轴承负荷与振动噪声，延长使用寿命。

（4）多盘式结构是由多定子和多转子组成，定转子数量相差一个，这种结构可以保持电机直径不变的前提下，通过增加定转子数量提高电机转矩密度和功率密度，适合用于船舶的推进系统和风力发电机等领域。

2. 轴向磁通电机的极槽配合选择原则

轴向磁通电机的极槽配合（极数与槽数的组合）直接影响其电磁性能、转矩输出品质和振动噪声特性。以下是系统化的选择原则和设计方法。

2.1 核心选择准则

1）对称性与可制造性 

必须满足Q/gc d(Q,2p)≥3为槽数，其中gc d为最大公约数，2p为极数，确保三相绕组对称分布，避免不平衡磁拉力。 如8极9槽、8极12槽、12极9槽、20极24槽（分数槽设计）。

避免组合：如6极6槽，否则会导致严重齿槽转矩和磁场不对称。

2）分数槽集中绕组优先 

推荐组合：Q = 3p±1(k为小整数，如1或2），例如：8极9槽（Q=3p-3）、12极15槽（Q=3p+3）。

优势：降低齿槽转矩，减少低次谐波，提高转矩密度。

2.2 性能驱动选型原则

1）转矩性能优化

2）效率与损耗平衡

高极数（如16极以上）： 

- 优点：降低铁芯厚度，减少涡流损耗。 

- 缺点：永磁体分段增加，成本上升。 

槽数（如Q＜13）： 

- 槽数过多、铜耗增加、槽满率下降； 

- 槽数过少、制造简单，减少铜耗，可能磁密饱和风险。

2.3 轴向磁通拓扑结构

1）三维磁路特性

- 双转子或双定子结构：极数需为偶数以保证磁路对称（如4/6/8极）。 

- 单定子结构：槽数选择需考虑两侧气隙磁场耦合（推荐Q=3p）。

2）端部效应抑制

- 采用不等极弧系数（如内圈0.8，外圈0.7）补偿边缘磁通畸变。 

- 高转速时优先选择Q > 2p（如16极18槽）以降低风磨损耗。

2.4 典型极槽组合示例

在选择时应同时考虑下列因素：

①选择基波系数高的极槽配合。基波系数越高，在相同输入功率的情况下电机能量转化效率就越高，从而节省铜线用料以提升电机的功率密度，同时还可以减小电机的转动惯量，提高电机的控制精度；

②选择最大公因数较大的极槽配合。由于极数和槽数的最大公因数就是电机电磁力最低非零阶分量的阶数，且阶数越小，电磁力对振动噪声的贡献就越大，所以通过选取最大公因数较大的极槽配合能够减小电机的振动噪声；

③ 选择合适的并联支路数。电机最大并联支路数和极槽配合息息相关，选取较大的并联支路数能够有效降低电机的反电势幅值。

3. 轴向磁通电机的电磁力产生机理

3.1 电磁力机理

‌通过查阅文献可知，前辈已经对不同结构类型电机噪声来源及产生机理进行系统化研究，并对径向电磁力空间分布特征和频谱特性进行了理论阐述与实验验证。以m表示力波空间阶数，将定子轭部等效为圆环或圆盘，0到3阶径向和轴向电磁力引起定子变形在空间分布特征如图所示。径向和轴向空间电磁力分别引起定子径向和轴向位移，这一特点是导致轴向磁通电机较径向磁通电机振动噪声传递路径较复杂的根本原因。

 

径向电机电磁力空间模数

 

轴向电机电磁力空间模数

3.2 电磁力计算解析

3.2.1 电枢绕组谐波磁场解析分析

对轴向磁通电机磁场分析从磁动势和气隙磁导入手，得到引起电机振动噪声加剧的轴向气隙磁密及电磁力分量，推导电机空间轴向电磁力与磁极参数之间关系，为后续减振降噪工作提供理论基础。

定子谐波磁势包括定子基波电流产生谐波磁场，以及定子时间谐波产生的谐波磁场。为简化分析，本文仅对定子基波电流所产生磁场进行分析，其定子绕组谐波磁动势为：

 

式中，Fv为定子绕组磁动势幅值；vp

为谐波极对数；为定子磁动势初始角；为对应角速度。  

3.2.2 转子永磁谐波磁场解析分析

对于轴向磁通电机，据磁路基本原理，可将永磁体视为恒定磁动势源。因此，转子永磁体磁动势为：

 

式中为旋转磁动势幅值；为永磁体磁场谐波极对数。  

3.2.3 轴向气隙磁场磁密解析分析

对于轴向磁通永磁电机，忽略铁芯饱和效应，轴向气隙磁密表达式为：

 

式中：为铁芯表面某点轴向气隙磁密；为气隙磁势；为气隙比磁导。  

3.3.4 轴向电磁力解析分析

在轴向磁通电机中，双转子磁极结构在定子上下齿面产生轴向电磁力引起定子振动，根据麦克斯韦应力原理可得轴向电磁力为：

 

式中为空气磁导率  

H /m；z  

为轴向电磁力力波次数；为为轴向气隙磁密，为切向气隙磁密。  

3.3.5 轴向电机的电磁力特性分析

轴向电机中电磁力波按方向可分为轴向分量和切向分量，同时也存在径向分量，其中轴向力波主要作用于定子内表面，导致铁心发生形变，使电机产生电磁振动，向外辐射噪声，切向力波主要产生转动力矩，而径向力波对电机的电磁振动影响较小，下面是对振动影响较大的典型轴向电磁力波。

 

轴向电磁力的时间频率为电流基波频率的整数倍。由于频率为0的电磁力对于电机的振动没有贡献，因此在分析中将不作考虑。对于轴向磁通永磁分数槽集中式绕组电机而言，由于槽数Qs并非为极对数p的整数倍，进而导致产生的轴向电磁力空间阶次包含了非np阶的低阶分量。电机振动幅值与电磁力的幅值成正比，与电磁力的空间阶次四次方成反比，所以低阶电磁力对电机振动噪声的影响尤为突出。因而，在之后对电机振动噪声的优化中，可以考虑通过对低阶大幅值的电磁力分量进行削弱，从而达到减振降噪的效果。

4. 轴向电机与径向电机NVH的差异

轴向磁通电机（Axial Flux Motor）和径向磁通电机（Radial Flux Motor）在振动和噪声特性上存在显著差异，主要源于其磁场分布、结构设计和电磁力作用方式的不同。以下是两者的主要区别及原因分析：

4.1电磁力引起的振动噪声差异

径向磁通电机：

（1）径向电磁力主导：气隙磁场沿径向分布，电磁力主要作用于定子齿和轭部的径向方向，易引发定子铁心的径向振动，导致结构共振和噪声。

（2）空间谐波影响大：由于定子槽和磁极的周期性分布，径向磁场会产生较强的空间谐波，引发高频电磁噪声（如槽频噪声）。

（3）典型噪声频率：电磁噪声集中在开关频率、槽谐波频率及其边带。

轴向磁通电机：

（1）轴向电磁力主导：磁场沿轴向分布，电磁力主要作用于定子和转子的轴向方向，可能引发轴向振动（如转子或定子盘的轴向模态）。

（2）力分布更均匀：双转子或单定子结构可部分抵消轴向力，但若磁路不对称或装配偏差，仍可能导致轴向振动。

（3）谐波特性不同：空间谐波较少（尤其在大气隙设计中），但时间谐波（如PWM驱动的高频成分）可能更显著。

4.2结构模态差异

径向磁通电机‌：

‌（1）主导模态‌：圆柱结构典型振型为‌定子径向椭圆模态‌、三瓣形和‌四瓣形模态‌，由径向磁拉力激发‌。

‌（2）振型特点‌：定子铁芯背部为刚度薄弱区，振动经机壳径向辐射；转子偏心易激发‌刚体模态‌（n=1）‌。

轴向磁通电机‌：

‌（1）主导模态‌：薄盘状结构易激发‌轴向弯曲模态‌（0阶呼吸模式）和‌轴向一阶弯曲‌（500–800 Hz）、轴向二阶弯曲等模态，表现为转子盘轴向翘曲或定子平面偏转‌。

‌（2）振型特点‌：双定子单转子结构通过对称布局抑制径向振动，但转子轴向支撑面刚度弱，易受弯矩影响‌。

‌（3）典型缺陷‌：单定子单转子结构存在非对称磁拉力，可能激发‌转子锥形模态‌（转子盘倾角振荡）‌。

4.3结构动力学差异

径向磁通电机：

（1）定子铁心为圆柱形叠片结构，径向刚度高但轴向刚度较低，易受径向力激励产生振动。

（2）转子多为外置式，离心力可能加剧不平衡振动（尤其高速时）。

轴向磁通电机：

（1）定子/转子呈盘状结构，轴向刚度相对较低，易受轴向力激励（如转子偏摆或磁拉力不均）。

（2）双转子设计可抵消部分轴向力，但需精密装配以避免不对称振动。

（3）转子惯量小，高速时离心力对振动影响较小。

4.4机械噪声源差异

径向磁通电机：

轴承主要承受径向载荷，滚动轴承的径向振动可能更明显。

轴向磁通电机：

轴承需承受较大轴向力，推力轴承的轴向振动可能成为主要噪声源。

4.5 NVH优化设计方向

径向磁通电机：

（1）优化定子槽数和极数以降低电磁谐波。

（2）增强定子轭部刚度，抑制径向振动。

（3）采用斜槽或磁极分段削弱齿槽转矩。

轴向磁通电机：

（1）提高轴向刚度（如加强定子支撑结构）。

（2）平衡双转子磁拉力，减少轴向偏心力。

（3）优化气隙均匀性以降低轴向力波动。

5. 轴向电机电磁振动噪声案例解析

5.1轴向电机NVH分析技术路线

轴向电机NVH分析及优化流程如下图所示：

 

5.2 电磁有限元模型及电磁力分析

5.2.1 电磁有限元模型

这里以16极18槽的轴向永磁同步电机为分析对象。电磁激励从位于定子中间半径气隙距离位置的周向气隙路径提取，便于描述空间电磁力分布，取决于电机设计参数（极数，槽数），计算时空电磁力波（轴向、径向和切向力分量），其电磁模型图如下图所示。

 

电磁模型示意图

5.2.2 电磁力波计算及结果分析

通过电磁瞬态场的计算，可以输出得到气隙圆弧线的磁密数据，然后利用公司自研轴向电机电磁力计算分析专业软件对其进行分析，得到丰富的电磁力后处理结果。

以下为电机在转速范围0-8000rpm内提取的频率阶次为48阶，空间阶次分别为0阶、2阶的径向电磁力切片曲线，如下图所示：

 

频率48阶轴向电磁力（空间阶次为0）

 

频率48阶径向电磁力（空间阶次为0）

 

频率48阶切向电磁力（空间阶次为0）

 

频率48阶轴向电磁力（空间阶次为2）  

 

频率48阶径向电磁力（空间阶次为2）

 

频率48阶切向电磁力（空间阶次为2）

主要结论：

（1）针对该电机而言，轴向电磁力频率为48阶时，空间阶次为0阶和2阶的轴向电磁力密度基本在500N/m²以下，同时也可以看出，空间阶次为2阶比空间阶次为0的对应的轴向力更大。

（2）针对该电机而言，空间阶次为0阶或2阶的48阶轴向电磁力比径向和切向力要大，其中以径向力最小。

5.3轴向电机模态分析

轴向电机计算有限元网格模型如下图所示：

轴向电机计算有限元模型

轴向磁通电机定子总成振动方向为轴向，其定子总成振动特性与环形壳体振动接近。定子通过其定子铁芯振动由螺栓传递到到机壳结构。轴向磁通电机振动噪声与电磁激振力及电机结构固有特性有关，模态振型和固有频率作为定子模态分析基本参数。

对电机定子总成进行模态仿真分析，得出定子低阶不同轴向振型下所对应固有频率。轴向磁通电机电磁激振力主要引起定子发生轴向振动位移，在振动噪声分析中，重点关注与主要轴向激振力频率相近的低阶轴向模态振型，忽略径向模态振型。当轴向电磁力与电机定子模态的空间阶次及时间频率阶次匹配时，会因共振加剧振动噪声。提取定子总成模态阶次中轴向振型阶次，其前五阶轴向振型阶数及模态频率如下图所示。

轴向电机模态（0,0）

轴向电机模态（1,0）

轴向电机模态（2,0）

轴向电机模态（3,0）

轴向电机模态（4,0）

5.4轴向电机振动分析

轴向电机在运行过程中，电机中的零部件会受到周期性变化的电磁力载荷，从而使电机发生振动，当计算电机的受迫电磁振动时，应首先应用商业电磁场有限元分析软件计算出电机在电磁场中所受到的周期性变化的3个方向的电磁力，然后通过我司自研软件将电磁力数据映射加载到轴向电机的结构场有限元分析模型中，即可进行电机振动响应分析，最后通过设置求解器参数对轴向电机进行电磁振动响应计算。

电磁力加载示意图

本次轴向电机振动响应计算采用模态叠加法，即基于模态结果快速计算振动结果，在完成轴向电机结构振动计算有限元网格模型、材料参数及边界条件等设置后，为了分析轴向电机在不同方向力作用下的振动响应情况，借助自研电磁力计算软件，分别输出轴向力、径向力、切向力及三个力合力等四种不同形式的电磁力波载荷，然后针对这四种不同工况作用下的振动响应进行计算，并提取轴向电机振动响应结果。

以下为频率阶次48阶时，四种不同形式的电磁力加载计算得到的在X、Y和Z方向的振动响应频谱曲线，如下图所示。

 

电机在不同激励源的48阶振动加速度曲线对比（X向，单位：mm/s2）

 

电机在不同激励源的48阶振动加速度曲线对比（Y向，单位：mm/s2）

 

电机在不同激励源的48阶振动加速度曲线对比（Z向，单位：mm/s2）

（1）轴向电机振动加速度幅值在X、Y方向上最大值基本在3.0e3mm/s²左右，Z方向幅值最大在3.0e4mm/s²左右，可见Z向的振动对整机振动贡献较大；

（2）轴向电机Z向的轴向力对电机振动明显要大于径向和切向力，可见电机的轴向力对整机的振动贡献最大。

5.5轴向电机噪声分析

5.5.1噪声计算模型及计算结果

电机振动响应计算完成后，可使用有限元方法计算其辐射噪声。声学建模时，为了满足每个波长内6个网格节点的要求，通常计算频率越高，声学网格尺寸越小，对应的声学网格数量越大，声学计算的激励输入是以结构振动响应计算输出的振动速度或者加速度作为边界条件进行声辐射计算。声学计算不需要特意建立六面体单元，直接采用前处理网格软件进行网格处理划分，如下图所示：

 

电机噪声计算模型

为了得到电机的噪声级频谱曲线，距离结构表面1m位置设置场点虚拟麦克风，同时在计算结果中输出场点的噪声频响曲线。

经过声学计算完成后，获得声学的计算频谱曲线和云图，同时可以结合电机结构工作变形及模态振型进行相关性分析，以便对噪声较大峰值产生的根因进行分析。轴向振动模态对轴向磁通电机的振动和空气噪声有显著影响。

 

5.5.2不同激励源对噪声的影响

通过分别加载48阶轴向电磁力、径向电磁力、切向力及三种力同时加载，获得电机在不同激励力作用下的声辐射对比曲线如下图所示。

 

电机在不同激励源的48阶噪声响应曲线对比

 

轴向、径向和切向电磁力噪声激励源贡献量对比（纵坐标：百分比）

主要结论：

（1）通过48阶噪声源贡献量分析可以看出，在1000Hz~3000Hz左右处的噪声主要由切向力所贡献，在其余频段的噪声基本由轴向力所贡献。

（2）针对该电机而言，如果需要从电磁力激励源角度优化它的噪声问题，针对不同的频段需要优化不同的激励源，比如针对1000Hz~3000Hz频段的电机噪声问题，重点以优化切向电磁力也即转矩脉动为主，而其余频段重点以优化轴向向电磁力为主。

（3）可以看出，由轴向电磁力引起的振动和噪声分量在电机振动和噪声频谱中占主导地位，电磁振动和噪声来源于电流谐波和槽谐波；当施加力频率与定子模态频率重合时，电机会产生较高的振动和噪声峰值。可通过削弱谐波轴向电磁力幅值从而减小轴向磁通电机的电磁振动。

5.5.3不同面板对噪声的影响

为了分析48阶噪声的面板贡献量，通过划分不同部件的包络面网格，对电机壳体及电机端盖及控制器壳体分块，分成下图所示5个不同的板块（图示不同颜色 区分）并分别提取这些不同板块的声辐射功率曲线如下图所示。

 

不同面板辐射噪声声功率曲线对比

 

不同面板噪声辐射贡献量对比（纵坐标：百分比）

主要结论：

（1）在整个分析频率段，主要是两个电机端盖噪声贡献量占比较大；

（2）在100-3500Hz频段内噪声源辐射贡献量较大的部件主要是电机壳体。