为什么电动机会“呜呜”作响?

电动汽车技术
作者: Deniz Erkan
创建: 24 十月 2026

电动电机的啸叫并非什么神秘现象,而是磁场力与逆变器开关频率一同快速攀升所形成的一种音乐般的印记.

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电动机的嗡鸣是两种物理来源叠加的结果: 电机内部磁力产生的电磁音调以及逆变器的高频开关声; 此外还加上齿轮减速器和轴承的机械贡献. 随着加速,啸叫的音调升高,因为这些音调随转速成比例地发生频移. 制造商通过扩频调制、主动降噪和声音设计来柔化这种声音,或者有意地对其加以塑造.

重点提示

开关引起的噪声通常出现在5-15 kHz范围内,也就是人耳最敏感的区域.
示例计算: 在4500 rpm下,第 24次谐波产生1800 Hz的音调.
扩频调制将音调性噪声能量分散到频率频谱中,从而降低峰值水平.
在欧盟,自2014年起低速行驶时强制要求发出人工警示音(AVAS).

启动内燃机时,声音的来源是毫无疑问的: 燃烧、排气、机械运动. 而当你坐进电动车时,熟悉的噪声大多消失了,取而代之的是一种尖锐、音调化、随速度迅速攀升的啸叫. 这种声音极具特色,以至于许多人以为它来自电机本身. 这部分有一定道理; 但故事真正有趣之处在于,声音的很大一部分并非来自电机,而是来自驱动电机的电力电子装置. 从工程角度来看,这种嗡鸣实际上不是故障,而是系统正常运行的听觉证明.

电动车上的嗡鸣声是从哪里来的?

Elektrikli motorun ötmesi tesadüf değil; besleme frekansının katlarındaki titreşimler metal gövdeyi bir enstrüman gibi çalar.

啸叫的成因可归为三大类. 第一种是电磁噪声: 进入电机的电流在转子和定子之间建立磁场; 这一场会导致气隙中作用力的波动,而波动的力会使电机机体产生振动. 任何振动的结构都会发出声音. 这种噪声的特征是持续且音调性的,因为其频率直接由供电电源频率及其倍数(即谐波)决定.

第二个来源是逆变器. 将电池的直流电转换为适合电机的交流电的电力电子装置,通过以极高的速度开关晶体管来工作. 这种开关过程会在开关频率及其倍数附近产生噪声; 测量表明,该范围通常落在5-15 kHz频段. 我们的耳朵恰好在这个频段最敏感——因此电动车上的嗡鸣尽管绝对声能较低,却可能令人感到烦扰. 开关产生的力波动同时也会造成结构振动; 为声音增添了一种可以感受到的细微质感. (这种细微质感实际上也会渗入车厢内部: 三种不同PWM技术对噪声、振动和声振粗糙度(NVH)的影响都可以分别测量.)

第三类是机械噪声: 减速齿轮箱和轴承. 与内燃机不同,电动汽车电机的转速可达数万转,因此这些部件在极高转速下旋转. 在永磁同步驱动系统中,伴随车速而来的那种平顺电子音,其来源通常是逆变器开关波形施加到电机上的方式; 在某些驱动系统中,可以听到一种已知的8 次电磁音调,轻微的形式完全正常.

开关频率如何决定声音?

要理解逆变器的声音特征,必须了解PWM——脉冲宽度调制——的原理. 晶体管以固定频率开合,通过在每一个周期中改变导通时间(占空比)来调节输送给电机的平均电压. 传到耳中的正是这一循环过程: 一种音调固定、带有电子特征的嗡嗡声. 在许多电动车上,加速开始之前听到的那种短暂、固定的音调,正是PWM电路正常工作的声音; 随后车辆加速时,音调随之升高.

音调随转速而移动,是一个算术上的必然结果. 施加到电机上的电源频率随转速成比例地增加,而电磁力则在该频率的谐波处振动. 我们来看一个具体的例子: 在4500 rpm下, 24阶谐波相当于1800 Hz. 这类音调性成分与气隙中的磁力一起,既产生音调性噪声也产生宽带噪声. 因此,速度越快听到的音调越高,这并不是缺陷,而是物理上的必然.

将开关频率保持恒定还是使其变化,在工程上存在一种张力. 固定频率使电磁干扰(EMI)滤波变得可预测; 但它也导致高音调、刺耳的音调性噪声总是停留在同一个位置. 而采用可变开关频率的PWM策略则是为了同时降低逆变器开关损耗和系统噪声. 这一平衡至今仍是一个活跃的研发领域; 通过动态控制逆变器开关频率来改善声音质量的新方法,近期已列入已注册的技术解决方案之中.

齿轮与轴承: 机械传动噪音的解剖

电动汽车的变速器通常是单级减速器,但从噪声角度看绝非一项轻松的任务. 齿轮噪声有两种主要机制: 传动误差以及齿面产生的摩擦振动. 当齿与齿相互接触时,金属与金属的接触加上载荷下的微尺度形变,会产生振动并经由减速器壳体传递到座舱. 机油会部分掩盖这种接触产生的声音; 因此在寒冷天气中,由于机油粘度发生变化,早晨声音更为明显也就不足为奇了.

在设计方面,最有效的武器是斜齿轮. 与直齿轮不同,斜齿轮的轮齿以渐进、连续的方式接触,这种过渡的平顺性可显著降低噪声; 是降低电动汽车变速器噪声的标准方法之一.

而轴承则因两个原因成为声音的一部分. 从机械上看,高音调嗡鸣的来源可能是电机轴承或减速器齿轮组; 声音水平的升高或特征变化是轴承健康状况的良好早期预警指标. 从电气角度看,在逆变器驱动的电机中,高频开关可能导致轴承座出现电气损伤——也就是说,这些组件既是声音的来源,也是声音所讲述故事的主角. 带载电机在负载之外发出的特有啸叫也属于这一机械贡献; 而冷却风扇的噪音则取决于电机转速,但与负载无关.

电机类型会改变声音特征吗?

简短的回答是: 是的,在可测量的程度上. 永磁同步电机的转子磁场预先建立,取决于磁体而非定子电感; 这带来了更高的效率和扭矩密度. 由于能够在扭矩周期内不产生波动而输出恒定扭矩,这类电机可以被设计得非常安静、振动极低. 另一方面,永磁电机必须与逆变器配合工作——也就是说开关声始终存在. 这类电机的振动和噪声有两个主要原因,即电子因素和机械因素; 极数与槽的组合,即转子极数与定子槽数的匹配,是NVH研究的焦点.

而异步电机则通过感应产生转子磁场; 总体上它们更大、更重、效率更低,但成本较低. 它们的声音特征也因此不同: 可以听到与转差频率相关的额外分量. 电机设计对声音的影响不仅限于电机类型; 转子斜极、定子和转子的开槽以及槽口宽度等设计参数直接决定气隙中力波的形状,被视为降低噪声的经典方法.

扩频: 分解声音的技术

开关引起的音调性噪声最优雅的解决方案之一是扩频调制技术,其理论基础可追溯到1992年. 其逻辑很简单: 你会有意地对开关频率进行调制,使其在一定频带内展开. 聚集在某一频率上的噪声能量因此被分散到更宽的频谱中,任一单一频率上的峰值能量随之降低. 人耳对窄带音调的感知要令人厌烦得多; 而宽带、轻微的嗡嗡声则很容易被容忍. 该技术也已在开关电源中的EMI抑制中得到验证; 它可以消除输出端的可闻噪声,并大幅降低输入端的噪声.

这项技术在电动汽车领域的重要性正在增长. 电动车中的高电压和高芯片密度使系统对电磁干扰特别敏感; 用于感知并降低这种敏感度的智能传感器技术也已开发出来. 动态控制开关频率的声音质量方法是扩频技术同一理念的延伸: 取而代之的不是恒定、可预测的音调,而是分散在频谱中或动态定位的噪声.

主动噪声消除与有意的声音设计

还有一些技术试图完全消除声音. 主动噪声消除的原理是经典的: 产生与噪声源振幅相等但相位相反的声波,两列波相互抵消. 电动车中这一方法的任务与内燃机车辆不同. 传统的发动机噪声本来就不存在; 电机高频噪声的声能相对较低. 因此,现代系统会持续监测进入座舱的道路、风和轮胎环境噪声,并产生反相声波. 许多制造商在这一领域提供套装解决方案; 在电动车中,主动声音设计不仅抑制噪音,还为座舱刻意增添一种声音特征.

那么车外的声音呢? 由于电动汽车电机的噪声很低,在低速时行人可能听不到车辆的存在. 因此,专为向行人通报混合动力和电动汽车的存在而设计的人工警示音 - AVAS - 已成为标准: 低速时由扬声器产生的、类似飞碟的悬浮音. 欧盟将强制使用这些声音的决定追溯至2014年; 在美国,低于特定速度时人工声音也是强制性的. 声音设计作为一门将这一安全要求与用户体验相结合的学科正在发展 - 每个品牌也在这里找到了创造自己声学签名的机会.

什么样的嗡鸣声是正常的,什么时候是问题?

一条大致的规则: 跟随车速的、平稳的、有音调的嗡鸣是正常的. 加速时升高的音调是电磁谐波的固有频率漂移; 固定音高的电子鸣叫声,是逆变器的工作声音. 以下情况则值得倾听:

如果嗡鸣是新出现的,或者明显比以前升高了,
如果声音伴随抖动或动力损失,
如果声音特性随速度和负载发生意外变化.

这些症状指向机械一侧——尤其是轴承和减速器齿轮组. 录制并比较声音是监测轴承健康状况的一种廉价而不失基本的方式; 当声音发生变化时进行检查,可以在故障扩大之前进行干预.

声音来源	特性	与速度的关系
电磁力	音调,带谐波	频率随转速变化
逆变器开关	电子鸣叫,5–15 kHz 频段	取决于开关频率
齿轮减速器	齿轮轰鸣	随齿轮比缩放
轴承	高音调,有时带有电气损伤特征	随转速增大,变化即为故障征兆
冷却风扇	风扇沙沙声 / 嗡嗡声	随速度增大,与负载无关

啸叫不是缺陷,而是设计空间

电机的啸叫并不是某个单一部件的错误; 是电磁力、逆变器开关、齿轮和轴承贡献的叠加. 工程方面的每一步进展——扩频、可变开关频率、斜齿轮、主动噪声消除——都在减少这种声音在车厢内的存在,或者有意地对其加以掩蔽. 当你在下一辆电动车加速时聆听那个音调,你已经知道自己听到的是什么了: 不是电机,而是一整套系统的听觉签名.