电动车驱动电机的噪音和震动问题，技术上如何解决？

导读：新能源汽车加速时，有时会出现一条随转速升高而变尖的啸叫声。频谱里，这类声音常表现为能量集中在窄频带的纯音。电机没有齿轮持续啮合，声音仍能由气隙中的周期性电磁力产生。本文沿着电流、磁场、电磁力、结构振动与声音辐射，拆解这条声音怎样形成。

新能源汽车加速时，车内有时会出现一种尖锐、音调清楚的声音。低速阶段不太明显，随着电机转速提高，音调一路上升。进入某段转速后，它还可能突然变响，离开这段区域又迅速减弱。

声学上，能量集中在一个或少数几个很窄频带内的声音，通常称为纯音。风噪和路噪分布在较宽的频率范围内，听起来更杂。纯音的音调清楚，即使总声压级不高，也容易从背景噪声中被听出来。

电驱系统里有两类常见的转速相关纯音。电机侧主要是电磁阶次音，减速器侧主要是齿轮啮合音。两者都会随转速移动，也可能经过电驱壳体、悬置和车身传入乘员舱。只凭听感，通常无法可靠地区分声源。

下面集中讨论健康永磁同步电机在正常运行中产生的电磁啸叫。轴承损伤、转子擦碰和明显装配故障可能产生其他声音，不在本篇的主要范围内。

01 电机没有持续碰撞，声音从哪里来

车用永磁同步电机主要由定子、转子、机壳、端盖和轴承组成。定子铁芯上开有槽，绕组嵌在槽内。转子位于定子中央，两者之间留有很小的气隙。

动力电池输出直流电，逆变器通过功率器件的高速开关，把直流电转换成受控的三相电流。三相电流在定子中建立旋转磁场，与转子永磁体形成的磁场相互作用，电机由此输出转矩。

真实电机里的气隙磁场难以保持理想的单一正弦波。定子开槽会周期性改变气隙磁导，绕组沿圆周离散分布，转子磁极也有固定形状。槽口宽度、磁钢分段、局部磁饱和、制造偏差和实际电流波形，还会继续改变气隙磁密。

这些因素叠加后，气隙中会同时出现基波磁场、槽谐波、磁极谐波和电流谐波。不同磁场分量相互作用，会在定子齿和铁芯表面形成周期性电磁力。按照麦克斯韦应力的基本关系，磁压力与气隙磁密的平方有关，力的频谱因此会出现和频、差频及倍频成分。

电磁力包含径向和切向分量。径向力沿半径方向作用，周期性推动定子向内或向外变形。切向力沿圆周方向作用，可能引起定子齿弯曲、周向振动和转矩波动。两类力的贡献与电机结构、频率范围和空间分布有关。

这些变形的绝对位移通常很小，重复频率却可能落在人耳敏感的范围。电磁力先激起定子、机壳和端盖振动，振动表面再推动周围空气，形成可听见的声音。另一部分振动会沿轴承座、壳体连接和电驱悬置传到车身。

电机内部不需要发生持续碰撞，正常运行中的周期性电磁力已经能够形成清晰啸叫。最终声音取决于电磁激励，也取决于结构对这组力的响应。

02 转速怎样把音调推高

车辆加速时，电机机械转频随转速提高。与转子位置相关的电磁激励重复得更快，声音频率也随之升高。

电机转速为每分钟 n 转时，机械转频为

fr = n / 60

电机有 p 对磁极时，基波电频率为

fe = p × fr

一台四对极电机以6000转每分钟运行时，机械转频为100赫兹，基波电频率为400赫兹。转速提高一倍，这两个频率也会提高一倍。

工程上常用阶次描述这种比例关系。某条噪声或振动频率除以参考轴的转频，就得到相对于这根轴的阶次。一个激励每转重复六次，对应六阶。车辆加速时，固定机械阶次会在频率图上形成向高频移动的轨迹。

参考轴必须写清楚。电机轴、减速器中间轴和车轮转速之间存在固定传动关系，同一个物理频率换用不同参考轴后，阶次数字会变化。看到一条稳定阶次轨迹，只能说明声音与旋转系统保持比例关系，还不能单独证明它来自电机。

电机电磁振动还需要区分时间频率和空间阶次。时间频率表示电磁力每秒变化多少次，决定激励落在哪个频段。空间阶次描述这组力沿定子圆周分布时有多少组波峰和波谷，决定它更容易推动哪一种结构变形。

零阶空间力在圆周方向近似同相变化，可能激发定子的呼吸形变。二阶空间力形成两组主要波瓣，更容易与近似椭圆形的定子模态耦合。更高空间阶次对应更多局部波瓣，其响应还会受到定子槽和齿的离散结构影响。

极数、槽数、绕组形式、磁钢结构和控制方式变化后，主要电磁阶次也会变化。一台样机上的突出阶次，只适用于对应的极槽组合、运行状态和参考转轴，不能直接套用到另一台电机。

03 为什么只在某段转速特别响

电磁力可能在较宽的转速范围内持续存在，车内声音却经常集中在一段较窄的区域。车辆缓慢加速时，一条阶次音起初并不突出。进入某段转速后，它突然增强，继续升速又逐渐减弱。

定子、机壳和端盖都是弹性结构，各自具有固有频率和对应的变形形状。工程上用模态描述这些特性。定子可能整体向内外收缩，也可能出现椭圆形或更多波瓣的变形。端盖和机壳还会产生局部弯曲、扭转和轴向振动。

当电磁力的时间频率接近某个结构固有频率，结构响应可能明显增大。激励频率继续升高并离开这段区域后，振动幅值又会下降。这种频率接近形成了常见的共振放大。

频率接近还不够。电磁力的空间分布需要与模态形状形成有效耦合，力的作用位置和模态阻尼也会改变结果。幅值较大的力避开高响应模态时，声音未必突出。幅值较小的力遇到合适的结构模态，也可能成为车内最明显的纯音。

公开研究常采用电磁、结构和声学联合分析。计算先获得气隙中的电磁力分布，再把载荷映射到定子齿和结构模型。结构分析计算定子、机壳与端盖的模态和频率响应，声学模型随后估算壳体表面的辐射噪声。

一项针对12槽8极、30千瓦永磁同步电机的研究，在电磁、结构和声学耦合模型中得到533赫兹附近的高响应，样机声压频谱也在相同频率出现峰值。这个结果验证了对应样机的分析方法，并不代表其他极槽组合也会在533赫兹产生突出声音。

模型的难点也来自结构本身。定子铁芯由大量叠片组成，绕组、绝缘材料和浸渍树脂会改变整体刚度与阻尼。定子与机壳之间的过盈和连接方式，端盖与轴承的支撑状态，也会改变固有频率。模型无法准确描述这些关系时，预测的共振位置和幅值就可能偏离实测。

同一台电机装入不同电驱总成，车内听感还可能变化。电驱壳体、悬置、车身局部模态和声学包会继续改变传播增益。某段转速突然变响，通常需要把电磁激励、结构响应与整车传播放在一起解释。

04 逆变器为什么会改变啸叫

动力电池提供直流电，车用电机需要幅值和频率不断变化的交流电。逆变器通过功率器件高速开关，利用脉宽调制控制施加到绕组上的平均电压。

实际电压和电流不会只包含理想基波。PWM载波及其边带、死区、电压降、采样延迟、控制误差和反电动势谐波，都会加入新的频率成分。电流谐波进入绕组后，会继续改变气隙磁场和电磁力频谱。

载波频率及其倍频附近可能出现高频成分，载波与电频率相互调制后还会形成边带。载波频率固定时，频谱中可能出现相对稳定的高频区域，边带则随电频率移动。控制策略或载波频率切换后，声音轨迹也可能发生跳变。

2018年发表于《Applied Acoustics》的一项试验使用原电机部件搭建专用装置，通过固定转子排除旋转产生的部分机械声和气动声，并密集改变PWM载波频率。试验结果显示，即使载波频率高于10千赫兹，不同载波选择仍可使装置测得的总声压级相差最高约25 dB(A)。

这项数据来自单线圈、半定子叠片和固定转子构成的简化试验装置，不能换算成整车座舱能够降低25 dB(A)。它证明了载波激励会与结构动力学耦合。载波落入结构高响应区域时，高频开关成分仍可能形成明显结构声。

死区带来的影响有所不同。逆变器上下桥臂切换时需要预留短暂间隔，避免两个功率器件同时导通。这个间隔会使实际输出电压偏离指令值，并随相电流方向变化，进而形成低阶电流谐波。母线电压、调制比和运行区域改变后，同一套补偿策略的效果也会变化。

轻加速、深加速、稳态运行和能量回收对应不同的电流幅值、相位与控制状态。同一转速下，电磁力幅值和频谱可能不同，纯音也会随扭矩方向和控制区域改变。

PWM只能解释一部分电磁啸叫。极槽组合、磁钢形状、磁饱和、制造偏差和气隙偏心同样会产生电磁力谐波。把所有高频声音都归到逆变器，会漏掉电机本体和结构响应中的问题。

05 怎样确认声音来自电机

车内出现一条随转速升高的纯音，只能说明它与某个旋转系统保持稳定的频率关系。电机电磁阶次和减速器齿轮啮合阶次都可能形成这样的轨迹。

声源判断首先需要准确的电机转速、扭矩方向和控制状态。目标声音对应哪根参考轴，出现在驱动、稳态还是能量回收状态，随负载和母线电压怎样变化，都会缩小候选激励范围。

随后要同步比较三相电流、电机机壳振动、减速器壳体振动和车内噪声。由电流谐波、死区或PWM边带引起的候选成分，通常应当在这些信号之间找到一致的频率关系。目标阶次在哪些壳体区域响应较高，也能帮助判断主要声源和传播方向。

电流频谱没有出现相同阶次，并不能直接排除电磁声源。极槽磁场、磁钢形状和局部磁饱和形成的电磁力波，不一定要求电流中存在完全相同阶次的谐波。

结构证据也需要对应。模态试验或经过试验修正的结构模型，可以判断目标频率附近是否存在高响应模态，电磁力的空间阶次能否与模态形状形成有效耦合。噪声、电流、壳体振动和结构模态能够在频率与空间形态上互相支持后，电机电磁啸叫的解释才比较完整。

手机录音能够记录声音出现的车速，也适合比较问题能否重复出现。它缺少同步转速、电流、扭矩和结构振动，无法单独确认声源。

清晰纯音也没有适用于所有车型的统一分贝阈值。车型定位、背景噪声、声音持续时间和目标频段不同，同样的声压级可能产生不同听感。工程项目还会使用音调噪声比等指标，评价纯音相对背景噪声的突出程度。

2026年的一项电驱研究采用音调噪声比识别早期样车中可能被背景噪声掩蔽的啸叫风险。这类指标用于量化纯音的可感知程度，不能替代声源确认。

电机啸叫的机理可以沿一条连续路径理解。绕组电流和电机结构共同决定气隙磁场，气隙磁场形成周期性电磁力，定子与机壳把电磁力转化为结构振动，整车传播路径再决定车内能够听到多少。下一篇将从问题定义、稳定复现、根因确认、方案验证和量产关闭出发，继续拆解电机啸叫的工程处理过程。

主要资料来源：1. 《电工技术学报》永磁同步电机电磁振动和噪声研究综述；2. IEEE Transactions on Industrial Electronics 考虑电流谐波的永磁同步电机电磁力、振动与噪声建模分析；3. IEEE Transactions on Transportation Electrification 永磁同步电机噪声与振动建模综述；4. 《航空学报》逆变器供电永磁电机电磁振噪计算方法综述；5. Applied Acoustics PWM激励下结构声的试验研究；6. Energies FeCo基永磁同步电机电磁振动与噪声耦合分析；7. SAE Technical Paper 电驱啸叫的音调噪声比早期诊断与控制。

如果这篇内容对你有帮助

欢迎点赞、转发、关注我的微信公众号「未来机工所」

免费领取《新能源汽车技术资料包》

内含技术知识地图、180条常用术语、53项标准索引、32张原创技术图及配套使用指南。

回复关键词【资料】，即可领取。