让无人机静悄悄地飞！杭电学者提出电机噪声抑制方法

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多旋翼无人机在政府公共服务和民用领域中发挥着日益重要的作用。随着无人机技术的不断发展，其电机转速、功率和拉力也不断提高，导致振动、噪声和声音平顺性问题日益严重。无人机的运行噪声不仅对消费者体验产生负面影响，还会干扰操作人员和周围环境，限制无人机在语音识别技术和人工智能交互等领域的应用潜力。因此，研究无人机噪声问题具有重要意义。特别是针对无人机的巡航噪声进行降噪优化，以减少其对人们生活的影响。
在噪声问题中，无人机的噪声主要来自高速旋转的螺旋桨和永磁同步电机的电磁噪声。针对螺旋桨噪声产生机理和抑制方法的研究已经取得了显著成果，使螺旋桨噪声得到了有效改善。因此，近年来，无人机电机辐射的噪声引起了越来越多的关注，成为一个新的研究重点。
目前针对抑制电机电磁振动噪声的方法研究颇多，但是一些降噪方法会降低电机输出转矩或者提高制造成本和复杂性。杭州电子科技大学自动化学院、卧龙电气驱动集团的刘栋良、詹成根等研究者，针对一台17 kW无人机用外转子永磁同步电机进行研究。为降低电机尖端振动噪声，且保留原电机电磁性能，重点提出优化磁极和定子开槽的方法。具体以平均转矩、转矩脉动等作为约束条件，构建多目标优化数学模型，并利用混合粒子群优化算法求解。

图1 17 kW表贴式永磁同步电机3D结构模型

图2 电机噪声测试消音室平台

图3 电机噪声测试数据采集平台

他们深入探讨磁极参数、定子开槽对低阶次径向气隙磁通密度空间谐波特征的影响。并对电机转子模态仿真，以研究径向电磁力与空间模态的作用机理。在多转速情况下，以巡航转速为重点，分析整体电机电磁振动噪声特征。

图4 电机转矩测试实验

图5 内部17 kW电机连接平台

图6 巡航转速下电机转矩测试数据对比

研究者以17 kW无人机用36极/30槽外转子电机为例，优化极弧系数、永磁体厚度以及开槽参数，降低3、5次气隙磁通密度谐波的幅值，从而有效地削弱径向电磁力及其引起的振动噪声峰值。与现有的电机结构优化方法相比，本方法在保持电机输出平均转矩情况下，降低了电机的转矩波动。
仿真和实验结果表明，电机在巡航转速下的尖端噪声显著减小。验证了优化结构对无人机电机尖端振动噪声有明显抑制作用，对解决无人机噪声问题具有重要意义。
本工作成果发表在2024年第6期《电工技术学报》，论文标题为“无人机17 kW电机振动噪声分析与巡航转速下尖端噪声优化”。本课题得到国家自然科学基金的支持。