新能源驅(qū)動電機NVH設(shè)計與優(yōu)化

喻皓 范澤義 王配 覃云萍

廣汽研究院 廣東省廣州市 511434

1 引言

在追求電機更優(yōu)性能的目標時，提高功率密度一直是電機工程師重要工作之一。電機功率密度越高，意味著電機在同等重量下發(fā)揮更大的功率和扭矩輸出。

近年來，隨著新能源車驅(qū)動電機的推廣與應(yīng)用，電機的NVH越來越受到消費者關(guān)注，電機NVH水平逐漸成為評價一個電機性能重要指標。研究表明，電機NVH表現(xiàn)與電機輸出功率和扭矩有直接關(guān)系。同一款電機，電機輸出功率越小，電機的NVH表現(xiàn)越好。

對于同一款電機，其動力性與NVH表現(xiàn)越來越成為一個矛盾點。尋找最佳平衡點，使得電機綜合性能最優(yōu)，越來越成為電機設(shè)計的重要內(nèi)容。

2 電機氣隙對電機性能和NVH的影響

為提高電機功率密度，在滿足加工精度、產(chǎn)品強度等設(shè)計要求的前提下，電機工程師偏向于設(shè)計更小的氣隙，。這主要是因為，隨著電機氣隙增大，帶來兩方面的影響：（1）氣隙增加，空氣磁導(dǎo)率低，磁路磁阻增大，磁力線通過能力減弱；（2）在切向結(jié)構(gòu)的永磁同步電機中，轉(zhuǎn)軸側(cè)永磁體端部存在較大漏磁，氣隙長度增加，漏磁也增加。以上兩方面均會帶來電機性能的下降，即電機功率密度的降低。

然而小氣隙電機帶來了更明顯的電磁噪音，這主要是因為電機工作過程中，通過定、轉(zhuǎn)子間的電磁力作用，即切向的旋轉(zhuǎn)扭矩和徑向的電磁力，使得電機運轉(zhuǎn)起來。定、轉(zhuǎn)子間的電磁力，主要是徑向電磁力使定子產(chǎn)生振動而輻射噪音。通過增大氣隙，可減小氣隙磁場諧波分量，降低徑向力諧波，從而實現(xiàn)噪音的優(yōu)化。

因此，綜合考慮輸出能力和NVH的影響，選擇合理氣隙至關(guān)重要。本文通過有限元法，仿真分析了兩種氣隙下電機性能和NVH表現(xiàn)，并通過試驗進行了對比驗證。

3 設(shè)計方案介紹

本文以某款永磁同步驅(qū)動電機為研究對象，電機為強制水冷，內(nèi)轉(zhuǎn)子，電機最高轉(zhuǎn)速為12000rpm，電機殼體為鋁合金材料。設(shè)計0.6mm，0.9mm氣隙的電機，兩種氣隙的電機的主要相比，電機轉(zhuǎn)子外徑相同，定子半徑相差0.15mm，考慮到0.15mm對定子齒部強度影響較小，0.9mm氣隙的電機直接將定子半徑增大0.15mm。電機電機參數(shù)如下表所示。

4 仿真分析結(jié)果

基于Maxwell對兩種氣隙的電機二維模型，并進行了電磁仿真，為了建立電機內(nèi)部磁場，做以下假定條件：

（1）忽略電機端部效應(yīng)，電機磁場沿軸向均勻分布；

（2）鐵心沖片材料各向同性；

（3）電機殼體外部和電機軸磁場忽略不計；

（4）磁鋼被均勻磁化；

（5）電機不采用斜級結(jié)構(gòu)（忽略斜級對氣隙的影響，但扭矩波動較大）；

經(jīng)過電磁仿真計算，得到了兩種氣隙電機的扭矩仿真結(jié)果，如下圖圖3和圖4所示。仿真分析結(jié)果說明，0.6mm氣隙電機最大扭矩為360Nm、波動為23%，0.9mm氣隙電機電磁激勵為336Nm、波動為18%，隨著氣隙的增大，電機的輸出扭矩變小，同時扭矩波動減少。扭矩減小主要原因有兩方面：1）氣隙增加，空氣磁導(dǎo)率低，磁路磁阻增大，磁力線通過能力減弱；2）在切向結(jié)構(gòu)的永磁同步電機中，轉(zhuǎn)軸側(cè)永磁體端部存在較大漏磁，氣隙長度增加，漏磁也增加。因此，單從輸出扭矩角度考慮，更傾向設(shè)計小氣隙電機。扭矩波動減少這是因為減小氣隙后，氣隙磁場諧波分量減小，也同時降低扭矩諧波分量，降低扭矩波動，這有利于改善車輛抖動。

表1 電機參數(shù)介紹

圖1 0.6mm氣隙值電機扭矩仿真值

圖2 0.9mm氣隙值電機扭矩仿真值

圖3 0.6mm氣隙值電機氣隙磁密

圖4 0.9mm氣隙值電機氣隙磁密

圖5 0.6mm氣隙電機氣隙磁密FFT分析

圖6 0.9mm氣隙電機氣隙磁密FFT分析

進一步對電機氣隙磁密進行了分析，仿真分析結(jié)果如下圖3和圖4所示，分析表明：0.9mm氣隙電機的氣隙磁密較0.6mm氣隙電機諧波分量小，有利于降低電機徑向力波動，減少電機徑向振動，從而改善電機NVH表現(xiàn)。為更直觀的說明氣隙磁密減小量，進行傅里葉分析，如下圖5和圖6所示：

對0.6mm氣隙電機和0.9mm氣隙電機的氣隙磁密FFT分析進行了對比分析，如下圖7所示，分析結(jié)果表明在對應(yīng)階次的幅值，0.6mm氣隙高于0.9mm氣隙，這說明0.6mm氣隙磁密諧波幅值更大，會輻射出更明顯的噪音。

5 試驗驗證

考慮懸置系統(tǒng)對電機NVH的影響，本文的試驗全部在整車上進行，工況為全油門加速工況，即全油門將車速從0加速到整車最高車速。通過麥克風對0.6mm和0.9mm氣隙的電機進行了聲壓采集。聲壓瀑布圖如下圖8和圖9所示。在0.6mm氣隙的電機，聲壓瀑布圖存在明顯“亮點”，說明此處聲壓級較高，而在相同位置，0.9mm氣隙的電機，顏色變淺，說明此次聲壓級降低。

提取兩種氣隙電機的總聲壓級進行比較，如下圖10所示，0.9mm氣隙的電機不僅在低轉(zhuǎn)速區(qū)間，NVH表現(xiàn)得到了明顯的優(yōu)化，而且在高轉(zhuǎn)速區(qū)間，NVH峰值得到了明顯的削弱，降低較為明顯，總聲壓級降低約8dB（A）。

實車駕駛，主觀感受上0.9mm氣隙電機NVH明顯改善。這說明，增大氣隙，可以起到改善電機NVH的作用。

6 結(jié)語

以上分析表明，電機氣隙是電機設(shè)計重要參數(shù)，需要綜合考慮輸出性能和NVH要求，在滿足電機性能輸出的前提下，增大氣隙是改善電機NVH表現(xiàn)的一種重要方法。在電機設(shè)計過程中，為平衡輸出性能和NVH性能，需設(shè)計合理的電機氣隙值。

圖7 諧波分量對比

圖8 0.6mm聲壓瀑布圖

圖9 0.9mm聲壓瀑布圖

圖10 兩種氣隙電機總聲壓級的比較