电机的“嗓音”从哪来？——电机 NVH 分析全景图，与扁线电机的“意外收获”

01　噪声源变了：机电系统站上 C 位

传统车里，动力总成是绝对的噪声主角；到了混合动力车，电机驱动系统的占比迅速抬升，与传统动力总成平分秋色。

传统车与混合动力车的整车噪声源构成对比 

更麻烦的是三件事：机电系统成为最主要的噪声源；电机与发动机的组合工况让激励更加复杂；控制策略对 NVH 的影响权重明显变高。再叠加车身声学包的分布变化、底盘新增的电机控制器/电池组/制动能量回收/轮毂与轮边电机、层级级联的控制程序，以及车内主动降噪与车外警示音——电驱动 NVH 从一个部件问题，变成了“源—路径—响应”的全链条问题。

02　EV 一定更安静吗？

不一定。报告给出一组实测对比：车速 10 km/h 时，EV 模式在高频段（约 1k～10kHz）的噪声幅值比传统燃油模式低得多——低速工况高频大幅降低；但车速升到 20 km/h，EV 模式的高频声压反而抬了起来，随着转速增加，高频能量逐渐增加。

10 km/h 与 20 km/h 下 EV 与传统车车内噪声频谱对比 

这背后是电机噪声的一个基本特性：阶次噪声的频率与转速成正比，转速越高，噪声频率越往上蹿，高频段的能量也随之水涨船高。

03　开关频率噪声：控制器送来的“高频哨声”

电机控制器干两件事：DC/AC 逆变，以及电机基波的调频。由于 PWM 调制原理，输出相电流里除了基波，还叠加着 IGBT 的开关频率及其边频带：

开关频率：ω_c（载波频率）
边频带：ω_k = nω_c ± hω₀，其中 ω₀ 为电机基波（调制波）频率
一般重点考虑 n=1、h=2 和 4 的边频带

报告总结了三条规律：低频范围内，电机噪声随开关频率提高而急剧降低，随后趋于平缓；如果开关频率恰好与结构共振模态一致，噪声会异常增大，此时抬高或降低开关频率都能明显改善；工程上的常用做法是把开关频率提到 10 kHz 以上，避开人耳最敏感的 1000～5000 Hz。

PWM 相电压波形与其开关频率噪声频谱 

开关频率从 4000 Hz 提高到 8000 Hz 的噪声 colormap 对比——开关频率越高，开关噪声越低 

04　边频带的暗道：电流谐波怎么变成径向力

开关频率噪声只是第一条暗道，第二条更隐蔽：边频带电流谐波会在气隙里引入定子高阶磁动势——以载波和边频为频率的高速旋转磁场（磁场次数等于磁对数 p）——它与电机基波磁动势相互作用，产生额外的径向力波：

ω_F-pwm = nω_c ± (h±1)ω₀
当 n=1 时，h±1 = 0、1、3、5、7……

纯正弦供电与 PWM 供电的径向气隙磁密对比 

图里看得最直观：纯正弦供电时，气隙磁密是干净的正弦；PWM 供电时，磁密波形上叠了一层“毛刺”——这层毛刺就是径向力波的土壤。这个问题最终表现为电机壳体的辐射噪声，但根源在变频器的高次电流谐波，所以从电流谐波的控制入手，解决效率最高。

05　径向力波：电机噪声的主角

电磁力分径向和切向。切向电磁力产生扭矩、驱动转子，是维持交变磁场的“好人”；而径向电磁力不产生电磁力矩，幅值却比切向力更大——它激励定子结构振动，向空气中辐射噪声。一旦径向力波的频率与定子结构模态对上，辐射噪声会非常明显。

永磁同步电机径向力与切向力时域对比——径向力幅值明显更大 

按空间阶次 r 分类：r=0 幅值最大、圆周方向同相位激励；r=1 对应定子或转子偏心；r>1 是圆周方向的周期性弹性变形（“花瓣状”）。对永磁同步电机来说，转子刚度大，转子侧 r>1 的响应基本可忽略；切向力波 r=0 的部分，就是稳定驱动扭矩的来源。

报告把永磁同步电机径向力波的来源汇总成 7 条：基波磁动势合成的 2p 力波（一直存在）；高阶谐波磁动势相互作用的 6kp 力波（一直存在）；控制器开关频率与基波相互作用的 ω_F-pwm 力波；以及在不同极槽配合（Z=2p、6p、8p、4p 等）下，定子开槽分别与基波、边频带、转子高次谐波的组合。极槽配合为什么是电机设计的头等大事，从这里就能看明白。

06　源—路径—响应：三大降噪策略

报告用 TPA（传递路径分析）的“源—路径”思想，把电机降噪归纳为三条相互独立的路线：

① 降低激励幅值：斜极/斜槽、电流角、磁极修形、极弧配对、槽口、短距绕组、磁性槽楔、电流注入、隔磁桥……
② 降低结构响应：加刚度、加阻尼、机壳与铁心的接触设计；
③ 避开激励与结构的共振：极槽配合、绕组拓扑、固有频率调整、工作转速规避。

电机 NVH 降噪的三大独立策略 

07　结构模态：别让力波和振型“对上暗号”

电机壳体的模态分析与传统结构并无本质区别，主要用有限元加试验模态辨识，但有两点要特别关注：一看振型——电机壳体的振型通常表现为圆环的径向变化（椭圆、三角、四边形……）；二看力波振型——电磁力波的空间阶次与模态振型一致、频率又接近时，共振效果最为明显。

报告给出某电机定子的模态辨识结果：一阶模态 2234 Hz、二阶模态 1986 Hz、三阶模态 4223 Hz。注意，二阶频率反而低于一阶——模态频率并不随阶次单调上升，这正是要逐阶辨识的意义。

激励力波与结构模态频率、振型一致时发生共振

壳体模态振型：(m,n) 中 m 为圆周方向模态振型（几瓣“花瓣”），n 为轴向方向模态振型

08　扭矩的另一半麻烦：从 Whine 到齿槽转矩

电机的扭矩波动会顺着传动系一路传下去，报告列出一串“症状名单”：Whine（齿轮传递误差引起的啸叫）、Rattle（齿轮相互冲击的敲击声）、Booming（车内轰鸣的压迫感）、Judder（离合器自激励）、Clunk（驱动扭矩急剧变化时的瞬间冲击）、Shuffle（整车低频大幅度前后颤振）、Shift Quality（换挡顿挫）。

扭矩波动沿传动系引发的各种 NVH 现象

扭矩波动有两大来源。齿槽转矩（Cogging Torque）是永磁电机特有的：定子不通电时，永磁体磁场与定子开槽磁阻相互作用产生的周期性转矩——它与电枢电流无关，是定转子相对位置的函数，频率阶次 k = LCM(Z, 2p)（Z 为齿槽数、p 为极对数、LCM 为最小公倍数）。它引起转矩脉动和速度波动，一旦脉动频率与电枢电流谐振频率一致，共振会放大一切。

纹波转矩（Ripple Torque）则是负载时定转子 6m±1 次谐波相互作用的结果，阶次 = 6m±1，谐波阶次越高纹波越大。对策是斜槽：把转子导条沿圆周错开一个角度，近似取一段圆周上的平均值，从而削弱谐波磁动势产生的附加转矩——中小型铸铝转子异步电机普遍采用转子斜槽，原因就在这里。

09　扁线电机：不为 NVH 而生，却让 NVH 受益

最后回到标题的主角。扁线（Hair-pin）电机的四大优点：更大的高效区面积、更高的功率密度、更强的散热能力、更优秀的 NVH 性能。前三个是设计初衷，第四个更像“意外收获”。报告从源和路径两端拆解了它的 NVH 账本：

源 · 径向力：相同功率下铜损、铁损大幅降低，效率更高，意味着各阶次径向力幅值全面降低——传统 NVH 降噪一般不去动激励源本身，扁线相当于“白捡”一档；

源 · 齿槽转矩：扁线绕组从铁心端部直接插线，不需要为下线留大槽口，意味着更小的槽口设计，即更低的齿槽转矩脉动；

路径 · 结构刚度：扁线绕组刚度更高，带动定子整体刚度提高——同样的径向力波，壳体振动幅值更小，辐射噪声随之降低。

报告的结论写得直白：扁线电机并不是为 NVH 性能优化而升级的，但它带来的 NVH 改善客观存在——主要通过降低激励源（径向激励力/齿槽转矩）和控制路径（定子刚度）间接实现。

10　写在最后

电机 NVH 的分析框架，说到底是三句话：看源——径向力波与扭矩脉动的频率和阶次；看路径——激励与结构模态有没有“对上暗号”；看响应——壳体振动与辐射噪声。开关频率避开人耳敏感区，极槽配合错开力波与振型，实在不行还有斜极、斜槽、磁极修形这些传统手艺兜底。

而扁线电机的故事提醒我们：技术进步常常不按单行道走——它是为效率和功率密度而生的，顺手把 NVH 也带好了一程。最好的降噪，是让噪声根本没机会出生。

本文根据中国汽车工程学会（SAE-China）汽车 NVH 委员会技术交流资料《电机NVH分析以及扁线电机NVH的可能性思考》整理改写，配图取自原文页面；数据与结论以原文为准。