干货 | 永磁电机PWM谐波噪音的原理和优化

对于永磁同步电机噪音，我们有一种不太严格的相对分类：低频、中频和高频。低频一般和机械因素有关，中频和电机本体电磁特征有关，而高频噪音大都和变频器控制器相关，最突出的是PWM开关频率的电磁噪声。PWM开关频率较高，4K6K8K10K不等，所以这类噪声的主观感觉是特别尖锐和刺耳，穿透能力极强，即便噪音分贝贡献量不大，但主观感官较差，是令人头痛的噪音问题的。

在最近几个电机NVH优化项目中，蜗牛团队发现，中频的阶次噪音优化相对简单，（如24阶、48阶等）有较成熟的方法和体系。而PWM相关的高频电磁噪音，一般通过控制算法改善。但当无法调整控制器时，从电机侧优化的方法和原理还不明朗，相应的工程优化方法更不成体系。因此，结合项目经验，阐述该问题的原理和方法是有价值的。

PWM谐波噪音的特征

PWM引起的电机啸叫声在噪音或者瀑布图上，有明显的特征，那就是如下图所示的伞状图，噪音的阶次线是以PWM载波频率为中心，左右镜像辐射而出，类似于一把打的半开的雨伞。因此很容易被识别出。在主观感受上，因为频率较高，声音听起来是“吱吱”、“叽叽”的啸叫声，声音尖锐刺耳。听起来不随转速变化而变化。

为什么会存在PWM谐波噪音频率的问题，这个是变频电机的逆变控制原理有关的，因为逆变器的工作原理就是用一系列占空比大小不一的方波电压，去等效正弦波电压。这些方波电压会在电机侧产生出高频的电流谐波，由电生磁、由磁生力。最终进而产生出和PWM频率相关的电磁噪音。因此这是变频调速电机从娘胎里带来的问题。

龙生九子各有不同，PWM带来的谐波噪音问题，也会因电机而异，有的电机噪音会低，而有的会较高。这就带来了一系列新的问题：为什么会有差异？如果差，我们如何让自己的电机的噪音更低？

PWM谐波噪音的优化路径

要想优化PWM谐波噪音，首先要将噪音产生的背后过程，分解成若干环节。分而化之，才能各个击破。这个物理过程如下图所示：谐波电压产生了谐波电流，谐波电流产生了谐波磁密，磁密又产生了电磁力，力作用在结构体上产生的了振动，有振动就有噪音。这五个环节都能着手优化。

采用随机PWM方法，不对称PWM方法等等，这是控制侧优化的策略；

优化电机等效电路，使得PWM谐波电流减小，优化电机磁路使得PWM谐波磁密减少，这些手段是电磁侧优化的路数；

改善结构整体刚度或者局部刚度，优化振动传递路径则是从结构侧的解决方案。八仙过海各有神通，每种方法的背后都代表了各学科从业者的努力。

而在电磁侧解决方案中，阻击PWM谐波噪音的首要关卡是谐波电流的优化；同样的PWM谐波电压激励下，电流波形可以毛刺很多如左下图，也可以比较光滑如右下图。显然谐波电流的减小能够抑制电磁噪音。

初级方法：PWM谐波电流抑制

如何抑制PWM谐波电流，需要拆开来看谐波电流产生过程。如下图所示，当脉冲方波电压打入电机时，会产生相应周期数的谐波电流。该电流ic随脉冲方波电压的作用时间延长和逐渐上升。显然这可以简化为一个电压-电感的电路问题。在这个电路中，电压小、或者电感大都能使得ic的上升斜率下降，最后降低谐波电流幅值。 因此在无法改变激励电压的情况下，我们第一反应就是增加电机的电感。

有一系列的手段来增加电感，如梁文毅在文献中所述：将表贴式换成内置式转子，因为气隙减小，d、q轴电感都大幅度增加，使得谐波电流得以优化。

除此之外还有其它的方法能够增加电感：

减少极对数，极数减小了，为了达到相同的反电动势，需要增加磁链，电感也随之增加；

在不改变极数的情况下，也可以少量的增加匝数，使得电感增加；

在匝数和极数都不能调整的情况下，还有两种方法来增加电感。其一是定子侧的方法，通过减小槽口宽度，使得槽漏感增加来增加电感；其二是通过优化磁极结构，使得Lq、Ld都增加的方法。如Prius2017的双层磁极结构就是这类方法。

如上四种方法，对电感的增加作用都是有限的，为了保证过载能力、效率 ，电感也不能增加过多，因此局限性很多，电磁噪音的优化幅度较小，好在设计操作相对简单，因此可以作为入门的初级手段。在从磁密、电磁力的后续关卡中，阻击电磁噪音，甚至多种手段共用，则为更高级的优化方法。

高级方法：PWM谐波电磁力的优化

通过磁路设计的方法来优化磁密和电磁力是最近发展出的新技术，其目标是在同样PWM谐波电流下，降低谐波磁密，从而降低电磁力。这需要从磁路的具体结构上加以设计调整。要实现这个目标核心的思想是：在磁路上阻滞PWM谐波磁场。PWM谐波要产生力，必然要先产生磁场，而其磁场和基波磁场类似，有特定的回路通道。我们在其必经通道上下文章，就能对其磁场强度产生影响。具体的又有如下两种方式：

一个是利用转子多层结构，来阻滞高频电磁场，如下图所示，最左边是单V结构的载波频率电磁场分布，可以观察到其磁场强度要明显强于中、右的双V和V一结构（比较箭头大小）。

还有一种方法是在高频电磁场的关键路径上设置辅助槽，增加其磁路磁阻，也就降低了高频电磁场强度。如下图Leaf电机的转子结构设计就利用到了这种思想。

实践证明这两种方法都能够降低PWM谐波产生的磁密，但这些方法都有缺陷，它会很大程度上影响电机的其它性能，如第一种方法，利用磁钢去阻挡高频电磁场，会增加磁钢的涡流损耗，第二种办法利用辅助槽去阻挡，虽然不会增加涡流损耗，但会影响铁耗，恶化转矩脉动和齿槽转矩。因此我们需要更全面的平衡设计和更科学的优化流程。

PWM谐波噪音的优化方法和过程

在优化PWM谐波噪音同时，保证其它指标在合理范围。这是自然而然能够得出的结论，但要实现这一点并不容易。一是靠人手动去调整方案，平衡各目标相当费时费力，而且经常找不到合理的平衡解。因此需要一个称手的多目标优化工具。下图是我们在项目中应用的多目标优化工具，它可以支持三个以上的目标优化，在该6极9槽的项目优化中，我们对6000rpm下的PWM电磁力、6000rpm下的转矩脉动、空载状态下的齿槽转矩作了多目标优化，系统最终能够给出三个目标都相对较优的解。

但事情没有那么简单，要实现多目标优化，还需要两个前提条件。一如何获得PWM谐波电压激励，另外一个是要获得相应频率的电磁力。其中后者相对比较简单，在做中低频电磁力优化时就已经解决，属于成熟技术。而前者没有现成的工具。传统的方法是通过电路软件和电机软件联合仿真来获得PWM谐波，但这效率太低，考虑到至少要有几百到几千量级的的方案计算量，联合仿真无法应用于优化。为了解决这个难题我们开发了一个简化的版本的PWM电压波发生器。如下图所示，有了它就能够实现在几分钟内完成一个方案的计算。

仅有一块块砖头是不够的，要完成一个PWM谐波电磁力优化需要打通如下流程。其中PWM发生器和参数化电机模型完成电磁场和电磁力计算，多目标优化算法负责指挥谐波电流和谐波电磁力优化的方向，是精华所在。

牛刀小试· 优化效果

知易行难，方法走通之后还需要实践验证， 在某6p12s的电机应用中，该方法体系取得了良好的优化效果。如下图所示，在保证电机外特性不变的前提下，优化后的方案电流高次谐波明显改善。通过FFT分析后4k附近的一阶PWM谐波含量明显降低。

在关键阶次的电磁力，包括4K附近的电磁力和6、12、18阶电磁力都有明显的优化。为了保证计算精度，我们最后用了联合仿真作了校核。具体的方案数据，出于保密无法和大家分享。

总结

特别是在车用驱动电机、压缩机电机等应用中，因为对性能的追求已是极致，往往忽视PWM谐波噪音优化问题。以往对该噪音的治理都偏重在控制器算法侧。将PWM谐波噪音的产生过程解析后，我们发现其实在电磁侧、结构侧都可以下手解决，而且更直接、更方便。在实践中我们从原理出发，打通关键节点，利用多目标优化算法来优化PWM谐波电磁力，在不改变控制算法的前提下，也能取得了良好的效果。希望这套方法体系能够对您有所帮助。