電動車驅(qū)動電機(jī)振動噪聲研究綜述

陳亞琴 劉茜 陳勇 高星

1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津市 300131 2河北工業(yè)大學(xué)新能源汽車研究中心 天津市 300131

1 引言

電動汽車用驅(qū)動電機(jī)與普通工業(yè)用電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境不同，車用電機(jī)安裝在運動的車體上，經(jīng)常產(chǎn)生顛簸。驅(qū)動電機(jī)應(yīng)滿足密度大、調(diào)速范圍寬、輕質(zhì)量和降低制造成本等方面的要求，使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輕薄、剛度低，導(dǎo)致了電機(jī)振動噪聲的抑制難度增大。尤其在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)載情況下易產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲污染，對整車振動噪聲貢獻(xiàn)量大。

在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域，NVH問題研究已有很多。但是，對于電動車來說，發(fā)動機(jī)被電機(jī)取代，發(fā)動機(jī)的缺失并沒有改善電動汽車的振動噪聲問題，電機(jī)高頻噪聲更加明顯；電機(jī)直接連接變速器形成一體化的動力總成，由此引發(fā)的振動噪聲性能也與傳統(tǒng)汽車不同；此外，在整車情況下應(yīng)結(jié)合噪聲級評價指標(biāo)以及心理學(xué)客觀評價參數(shù)對電機(jī)進(jìn)行聲品質(zhì)的研究。

目前，國內(nèi)外對電動汽車驅(qū)動電機(jī)振動噪聲研究相對較少。本文從驅(qū)動電機(jī)對整車聲振特性影響研究、驅(qū)動電機(jī)振動噪聲激勵源的研究、基于磁固耦合的電機(jī)振動噪聲動態(tài)響應(yīng)分析研究、電機(jī)振動噪聲控制優(yōu)化研究、對電機(jī)噪聲傳播路徑控制的研究等五個方面闡述電動汽車驅(qū)動電機(jī)噪聲研究現(xiàn)狀。

2 驅(qū)動電機(jī)對整車振動噪聲的影響研究

研究驅(qū)動電機(jī)噪聲對整車噪聲的影響有利于確定電機(jī)振動噪聲的研究重點。2008年，蔡建江[2]等對燃料電池轎車進(jìn)行試驗，得出在超過某一車速下，驅(qū)動電機(jī)振動幅值變化和車內(nèi)噪聲的頻率變化基本一致，且在高速工況下車內(nèi)噪聲最主要頻率成分為電機(jī)轉(zhuǎn)速的基頻或諧頻。2012年，Humbert等提出電機(jī)的切向電磁力對變速器的振動特性產(chǎn)生影響，但缺少具體的分析。2014年相龍洋等人對新型純電動小車進(jìn)行試驗，并對車內(nèi)各部分進(jìn)場噪聲信號進(jìn)行偏相干分析[2]，得出電動汽車高速行駛時，電機(jī)噪聲為主要源頭。2015年方源等人對某集中驅(qū)動式電動車進(jìn)行試驗研究，得出隨著車速的增加，相比于動力總成其他部分，電機(jī)端部的聲壓級波動較大，且電機(jī)高頻噪聲增大，對整車的聲品質(zhì)產(chǎn)生主要影響。2016年，于蓬等人對動力總成在內(nèi)部激勵下的振動進(jìn)行分析，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，得出電機(jī)內(nèi)部電磁激勵在高頻段對動力總成的振動影響較大，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了電機(jī)高頻噪聲研究的必要性。

3 驅(qū)動電機(jī)振動噪聲激勵源的研究

3.1 電機(jī)本身電磁激勵

2010年Islam等研究并分析了永磁同步電動機(jī)的聲振特性，研究表明，徑向電磁力為電機(jī)振動的主要激勵。2012年P(guān)ellerey將電磁徑向力和切向力波施加到電機(jī)殼體進(jìn)行分析，考慮了切向電磁力為振動激勵[3]。2014年Jean等人考慮了靜/動態(tài)偏心等電機(jī)缺陷產(chǎn)生的影響。

3.2 動力總成中的機(jī)械激勵

目前，電機(jī)—變速器一體化驅(qū)動系統(tǒng)是典型的集成式驅(qū)動模式，國內(nèi)已有對純電動車動力總成進(jìn)行聲振特性試驗的研究，于蓬等人指出，動力總成由于其特有的內(nèi)部綜合激勵使電機(jī)振動噪聲產(chǎn)生新特點，并對動力總成的內(nèi)部激勵進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬，考慮了變速器齒輪嚙合激勵對電機(jī)的作用。2015年方源等人對動力總成進(jìn)行了試驗研究，利用頻譜分析證實了變速器齒輪嚙合頻率對電機(jī)的振動噪聲影響較大。

3.3 控制電流產(chǎn)生的激勵

2012年，Pellerey等人考慮電流控制對電機(jī)電磁噪聲的影響，不同的控制電流將產(chǎn)生不同的諧波電流及電磁力波。2013年于蓬等利用場路耦合，得到了考慮外控制電路作用下的電磁激勵。此外，2010年唐任遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)控制電流相位偏差引起2階轉(zhuǎn)矩波動[3]，證實了外控制電路可產(chǎn)生多源激勵引起電機(jī)振動。

3.4 其他激勵

機(jī)械激勵：軸承或電刷裝置等的機(jī)械摩擦，轉(zhuǎn)子動不平衡是最常見的機(jī)械振動激勵；電機(jī)內(nèi)的冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)動激勵電機(jī)產(chǎn)生噪聲；路面不平造成的附著力波動是引起驅(qū)動電機(jī)扭振的激勵[1]。

4 基于磁固耦合的電機(jī)振動噪聲動態(tài)響應(yīng)分析研究

4.1 結(jié)合場路耦合對電磁激勵進(jìn)行仿真、利用ROMAX仿真獲得機(jī)械激勵

針對電機(jī)本身電磁激勵，國內(nèi)外多采用電磁分析軟件仿真電磁力，早期，1997年比利時提出了計算徑向電磁力的方法，隨著有限元法的普及，多利用電磁有限元仿真軟件對電機(jī)磁場分析，2012年后考慮多物理場對電機(jī)的影響，建立了永磁同步電機(jī)多物理模型。

由于考慮外控制電路產(chǎn)生的電磁激勵，2012年國外學(xué)者、2013年國內(nèi)學(xué)者開始進(jìn)行場路耦合仿真電磁激勵，分別用有限元軟件對電機(jī)進(jìn)行電磁仿真、用MATLAB/simulink搭建控制電路模型，結(jié)合兩者得到電磁激勵[3]。

針對變速器齒輪嚙合激振力，至今國內(nèi)外學(xué)者已有一定研究，主要路線為結(jié)合剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)，利用ROMAX仿真方法得到機(jī)械激勵。

4.2 利用聯(lián)合仿真研究電機(jī)動態(tài)響應(yīng)

2006年國內(nèi)外學(xué)者利用聯(lián)合仿真進(jìn)行噪聲評估和探討感應(yīng)電機(jī)電磁、聲振特性。采用結(jié)構(gòu)有限元和聲場邊界元聯(lián)合仿真，將前期得到的激勵作用于有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，將振動結(jié)果作為邊界條件施加在邊界元模型，進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析[4]。

5 電機(jī)振動噪聲控制優(yōu)化研究

5.1 基于電磁力引發(fā)的振動噪聲優(yōu)化

在主動控制方面，國外學(xué)者研究較多。2002年Robert等探討了對控制器樣頻的精確控制來減小轉(zhuǎn)矩波動，2012年P(guān)ierre證實了調(diào)整電流諧波可以減小電流和振動。2005年-2012年國內(nèi)學(xué)者進(jìn)一步研究了采用迭代學(xué)習(xí)控制策略實現(xiàn)諧波轉(zhuǎn)矩的抑制。

在被動控制方面，國內(nèi)外已有大量的研究，2009年Jean等通過研究適當(dāng)?shù)卦黾育X槽寬度也可降低電磁噪聲。2010年D.C等指出增加繞組數(shù)量以及氣隙長度可以減少徑向力波。2007年宋志環(huán)等提出調(diào)整極槽配合、繞組層數(shù)可以改善電磁噪聲。2016年鐘文彬?qū)υ囼灅訖C(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低了徑向激振力[5]。

5.2 基于機(jī)械振動的噪聲優(yōu)化

國內(nèi)外學(xué)者大都通過改善制造工藝性、改善定/轉(zhuǎn)子不平衡來優(yōu)化機(jī)械噪聲。

6 對電機(jī)噪聲傳播路徑控制的研究

對噪聲傳遞路徑的控制是解決振動噪聲問題最常用的方法?？刂品椒ㄓ校焊粽窨刂?、阻尼控制、隔聲控制、吸聲控制。根本原理就是在振動噪聲傳遞路徑上施加減振原件，隔聲吸聲材料[6]。

6.1 電機(jī)懸置隔振研究

驅(qū)動電機(jī)通過懸置安裝在副車架上，電機(jī)的振動能量傳遞到車身。目前，國內(nèi)借鑒傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)動力總成懸置系統(tǒng)的研究方法，對電動汽車驅(qū)動電機(jī)的懸置系統(tǒng)研究較多。2007年閻礁等以轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡為激勵，對振動系統(tǒng)的懸置剛度進(jìn)行了優(yōu)化。2011年李瑩建立了電機(jī)六自由度剛體模型，將路面窄帶平穩(wěn)隨機(jī)加速度作為輸入?yún)?shù)，得到電機(jī)動力總成質(zhì)心加速度響應(yīng)。2008年蔡建江對驅(qū)動電機(jī)—副車架懸置系統(tǒng)進(jìn)行建模并仿真，提出電機(jī)懸置的隔振性能對高速工況下車內(nèi)噪聲有主要作用，通過改善懸置隔振性能和副車架剛度是改善車內(nèi)噪聲的有效途徑[1]。

國家重點研發(fā)計劃資助（National Key R﹠D Program of China）：高性能高可靠輕量化電機(jī)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化研究（編號：2017YFB0102400）