電動(dòng)汽車(chē)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲建模與分析

寧興江

?

電動(dòng)汽車(chē)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲建模與分析

寧興江

（愛(ài)馳汽車(chē)（上海）有限公司，上海 200090）

某純電動(dòng)樣車(chē)在試驗(yàn)過(guò)程中被抱怨驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，首先進(jìn)行永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)噪音機(jī)理分析，建立以轉(zhuǎn)速為輸入信號(hào)和以噪聲頻率與階次為輸出信號(hào)的電機(jī)振動(dòng)噪聲理論模型，并推導(dǎo)出A聲級(jí)噪聲理論譜線(xiàn)；其次，進(jìn)行被測(cè)永磁同步的電機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試，得出A聲級(jí)噪聲試驗(yàn)譜線(xiàn)；最后，對(duì)比理論模型預(yù)測(cè)和測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了模型的正確性，并識(shí)別被測(cè)永磁同步電機(jī)異常噪聲源。該模型與試驗(yàn)相結(jié)合可以快速識(shí)別永磁同步電機(jī)的異常振動(dòng)噪聲源。

電動(dòng)汽車(chē)；永磁同步電機(jī)；振動(dòng)噪聲；噪聲理論譜線(xiàn)；噪聲試驗(yàn)譜線(xiàn)

前言

近年來(lái)，石油能源安全與環(huán)境污染問(wèn)題日益突顯，且受?chē)?guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格、補(bǔ)貼政策拉動(dòng)，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。電動(dòng)汽車(chē)尤其是純電動(dòng)汽車(chē)的噪聲問(wèn)題日益引起廣泛關(guān)注，諸多品牌的電動(dòng)汽車(chē)均遇到了振動(dòng)與噪聲的問(wèn)題或用戶(hù)抱怨。

在常用的城市工況（0-80km/h）下，純電動(dòng)汽車(chē)一般500Hz以上的中高頻噪音較為明顯，而傳統(tǒng)車(chē)輛一般為500Hz以下噪音[1]。中高頻噪音尖銳刺耳，有明顯的“嘯叫”聲，通常讓人產(chǎn)生強(qiáng)烈的不適感。相比于傳統(tǒng)動(dòng)力汽車(chē)，純電動(dòng)汽車(chē)噪聲的差別主要在于電驅(qū)動(dòng)總成的噪音，本文的研究對(duì)象是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

市場(chǎng)需要企業(yè)快速推出高品質(zhì)的電動(dòng)汽車(chē)，研發(fā)周期縮短，這就亟待研發(fā)人員能夠快速得分析，識(shí)別并解決電動(dòng)汽車(chē)噪音問(wèn)題。為了快速得分析，識(shí)別電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，文獻(xiàn)[2-4]提出了永磁同步電機(jī)噪聲源識(shí)別與診斷的黑箱建模技術(shù)，并以外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行建模和試驗(yàn)。文獻(xiàn)[5]對(duì)車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行分析，推導(dǎo)出正弦波供電和變頻器供電條件下電機(jī)振動(dòng)噪聲源的特征頻率，也測(cè)試分析了由定轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)引起的電磁噪聲。但未對(duì)電機(jī)的噪音源包括機(jī)械噪聲源進(jìn)行分析和診斷。文獻(xiàn)[6]通過(guò)測(cè)試得到了電機(jī)在3000r/min工況下的穩(wěn)態(tài)噪聲頻譜圖，驗(yàn)證了電磁噪聲是電機(jī)噪聲的主要來(lái)源。但未對(duì)其電磁噪聲源進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，識(shí)別。

本文以高速內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行電機(jī)噪聲源識(shí)別與診斷的建模和試驗(yàn)。首先，進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)噪音機(jī)理分析，推導(dǎo)出以轉(zhuǎn)速為輸入信號(hào)和以噪聲頻率與階次為輸出信號(hào)的電機(jī)振動(dòng)噪聲模型，并預(yù)測(cè)A聲級(jí)理論譜線(xiàn)；其次，進(jìn)行被測(cè)電機(jī)振動(dòng)噪聲試驗(yàn)，得出空載時(shí)，不同負(fù)載時(shí)加速工況和勻速工況下的電機(jī)振動(dòng)加速度、噪聲等信號(hào)，得到電機(jī)振動(dòng)和噪聲的階次和幅頻特征；最后，對(duì)比理論模型預(yù)測(cè)和測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證理論模型的正確性，并結(jié)合主觀評(píng)價(jià)確定異常振動(dòng)噪音工況，進(jìn)而識(shí)別被測(cè)電機(jī)的異常噪聲源。

1 永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲理論模型

永磁同步電機(jī)主磁通主要沿徑向進(jìn)入氣隙，并在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力，引起定子和轉(zhuǎn)子振動(dòng)，從而產(chǎn)生電磁噪聲。

本部分利用永磁同步電機(jī)氣隙磁密公式，應(yīng)用麥克斯韋張量法建立了徑向力波解析模型，并根據(jù)其多自由度機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程求解出電機(jī)的振動(dòng)噪聲響應(yīng)。

1.1 氣隙磁密

永磁同步電機(jī)氣隙磁密由永磁體磁場(chǎng)和正弦波電流電樞反應(yīng)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生[7]：

式中，b為永磁體氣隙磁密，b為電樞反應(yīng)氣隙磁密。

永磁體氣隙磁密可表示為：

電樞反應(yīng)氣隙磁密可表示為：

式中，B為第次電樞反應(yīng)諧波磁密幅值。

由式（1）、（2）、（3）可得：

1.2 徑向力波

理想的永磁同步電機(jī)是指通入正弦波電流，且無(wú)其故它故障的電機(jī)。產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的激勵(lì)力主要是徑向力波[7]：

式中，P為徑向力波，為定子空間角度，0為真空磁導(dǎo)率，為氣隙磁密。

由式（4）、（5）推導(dǎo)可得電機(jī)的徑向力波公式（6）。

1.3 振動(dòng)噪聲響應(yīng)及其頻率

永磁同步電機(jī)的電磁力激勵(lì)外定子或外轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而輻射噪聲。其個(gè)自由度機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程[8]可表示為式（7）。

式中，q（）是t時(shí)刻模態(tài)坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)位移，Φ是第階模態(tài)振型，（）是時(shí)刻節(jié)點(diǎn)力，[]、[]、[]分別是質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣。

根據(jù)杜哈梅積分得系統(tǒng)在模態(tài)坐標(biāo)下的響應(yīng)[8]為：

式中，ζ為第階固有振型的模態(tài)阻尼比，ω為無(wú)阻尼系統(tǒng)的第階模態(tài)頻率，ω為有阻尼系統(tǒng)的第階模態(tài)頻率，且：

由式（8）可知，永磁同步電機(jī)外定子或外轉(zhuǎn)子在激勵(lì)力作用下的響應(yīng)由兩部分組成：以頻率為有阻尼模態(tài)頻率ω的自由衰減振動(dòng)的解和以與激勵(lì)力頻率相同的受迫振動(dòng)的解。

因此，要建立以轉(zhuǎn)速為輸入信號(hào)和以噪聲頻率與階次為輸出信號(hào)的振動(dòng)噪聲響應(yīng)理論模型，也即是建立以轉(zhuǎn)速為輸入信號(hào)和以有阻尼模態(tài)頻率與激勵(lì)力頻率為輸出信號(hào)的理論模型。

1.4 理想永磁同步電機(jī)的振動(dòng)噪聲響應(yīng)及其頻率

式中，為轉(zhuǎn)速，為電源頻率。

由式（6）和式（10）可得以轉(zhuǎn)速為輸入信號(hào)和以激勵(lì)力頻率為輸出信號(hào)的關(guān)系式（11）：

式中，∈*，∈*，且≠。

1.5 異常振動(dòng)噪聲

除了理想永磁同步電機(jī)的振動(dòng)噪聲響應(yīng)外，還存在由時(shí)間諧波電流、標(biāo)準(zhǔn)PWM載波頻率、轉(zhuǎn)子偏心、滾動(dòng)軸承及共振等引起的異常振動(dòng)噪聲[3][9]。

2 電機(jī)A聲級(jí)噪聲理論譜線(xiàn)

基于上述模型，應(yīng)用軟件[10]，對(duì)本項(xiàng)目中的4對(duì)極內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的A聲級(jí)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)?？紤]理想永磁同步電機(jī)、時(shí)間諧波電流、滾動(dòng)軸承、開(kāi)關(guān)頻率、固有頻率的影響，噪聲預(yù)測(cè)譜線(xiàn)如圖1- 5所示。綜合這幾個(gè)因素的預(yù)測(cè)譜線(xiàn)如圖6所示。

圖1 理想永磁同步電機(jī)的噪聲理論譜線(xiàn)

圖2 考慮時(shí)間諧波電流的噪聲理論譜線(xiàn)

圖3 考慮滾動(dòng)軸承不圓度的噪聲理論譜線(xiàn)

圖4 考慮開(kāi)關(guān)頻率的噪聲理論譜線(xiàn)

圖5 考慮計(jì)算模態(tài)的噪聲理論譜線(xiàn)

圖6 考慮以上因素的綜合的噪聲理論譜線(xiàn)

3 電機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試與分析

通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試空載時(shí)，不同負(fù)載時(shí)加速工況和勻速工況下電機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)加速度、噪聲等信號(hào)，得到電機(jī)振動(dòng)和噪聲的階次和幅頻特征，驗(yàn)證電機(jī)噪聲理論譜線(xiàn)是否正確。并應(yīng)用電機(jī)振動(dòng)噪聲理論模型初步診斷驅(qū)動(dòng)電機(jī)異常噪聲源和及工況。

3.1 試驗(yàn)工況

按表1所設(shè)置的工況運(yùn)行電機(jī)，采集振動(dòng)加速度、噪聲、三相電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。其中加速工況連續(xù)測(cè)試可以反映該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)的電機(jī)噪聲特性。

表1 試驗(yàn)工況表

3.2 電機(jī)安裝方式與傳感器布置

電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)安裝方式[11]與加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示：

圖7 空載時(shí)加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置

電機(jī)帶載運(yùn)行時(shí)安裝方式[11]與加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示：

圖8 加載時(shí)加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置

加速度傳感器用膠水粘貼在電機(jī)表面，聲速探頭安裝在電機(jī)正上方2cm處。聲速探頭又名p-u探頭，一種用于測(cè)量物體近場(chǎng)噪聲的傳感器，其原理為通過(guò)測(cè)量?jī)墒暡ǖ南辔徊睿圆蹲街纲|(zhì)點(diǎn)速度，進(jìn)而推出物體表面的噪聲聲壓級(jí)和聲強(qiáng)。多用于背景噪聲較大的場(chǎng)合。

部分加速度傳感器和聲速探頭布置如圖9所示。

圖9 部分加速度傳感器和聲速探頭布置

3.3 試驗(yàn)臺(tái)架

本試驗(yàn)采用了聲速探頭，可不考慮背景噪聲，采用高精度普通電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架直接測(cè)量電機(jī)近場(chǎng)噪聲。

圖10 電機(jī)振動(dòng)噪聲試驗(yàn)臺(tái)架

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

轉(zhuǎn)矩為100N.m加速工況下電機(jī)噪聲A聲級(jí)譜線(xiàn)繪制如圖11所示。圖11和圖6的相似度很高，包括理想永磁同步電機(jī)、時(shí)間諧波電流、滾動(dòng)軸承、開(kāi)關(guān)頻率及共振產(chǎn)生的噪聲譜線(xiàn)，證明了電機(jī)振動(dòng)噪聲理論模型的正確性。并可判斷該永磁同步電機(jī)的異常噪聲源主要有：時(shí)間諧波電流、滾動(dòng)軸承、開(kāi)關(guān)頻率、固有頻率。

圖11 噪聲試驗(yàn)譜線(xiàn)

4 異常噪聲工況下電機(jī)振動(dòng)、噪聲分析

根據(jù)本項(xiàng)目的電機(jī)噪聲主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，噪聲煩躁度的最?lèi)毫庸r為（5800rpm，100N.m）和（6000rpm，100N.m），主觀煩躁度達(dá)最大值，評(píng)價(jià)主體非常煩躁。兩者情況類(lèi)似，本節(jié)針對(duì)前一種工況進(jìn)行電機(jī)振動(dòng)和噪聲分析。當(dāng)轉(zhuǎn)速為5800rpm時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為96.7Hz，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源頻率為386.7Hz。

4.1 異常噪聲工況下電機(jī)振動(dòng)分析

在轉(zhuǎn)速為5800rpm、轉(zhuǎn)矩為100N.m時(shí)，電機(jī)A4點(diǎn)的振動(dòng)加速度頻譜如圖12所示，可見(jiàn)：

（1）當(dāng)頻率為772.5Hz、1548Hz、2320Hz、3093Hz、3868Hz、4640Hz時(shí)，亦即當(dāng)頻率為電源頻率的偶數(shù)倍時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)A4點(diǎn)的振動(dòng)加速度幅值較大。這與我們理論推導(dǎo)結(jié)果式（10）相符。

（2）當(dāng)頻率為96.7Hz、193.4Hz、290.1Hz、386.8Hz、……時(shí)，亦即當(dāng)頻率為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的整數(shù)倍時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)A4點(diǎn)的振動(dòng)加速度亦有幅值。這可能由滾動(dòng)軸承、時(shí)間諧波電流等情況引起。

圖12 電機(jī)A4點(diǎn)的振動(dòng)加速度頻譜圖

4.2 異常噪聲工況下電機(jī)噪聲分析

A聲級(jí)頻譜如圖13所示，將圖13中的5800rpm時(shí)的電機(jī)噪聲A聲級(jí)頻譜提取出來(lái)，如圖14。轉(zhuǎn)速為5800rpm、轉(zhuǎn)矩為100N.m時(shí)，電機(jī)A4點(diǎn)正上方2cm處噪聲A聲級(jí)的總聲壓級(jí)為81.19dB(A)，可見(jiàn)：

（1）當(dāng)頻率為773.4Hz、1547Hz、2320Hz、3094Hz、3867Hz、4639Hz時(shí)，亦即當(dāng)頻率為電源頻率的偶數(shù)倍時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)A4點(diǎn)正上方2cm處的A聲級(jí)幅值較大。這與理論推導(dǎo)結(jié)論公式（10）相符，由正弦波電流引起。

圖13 部分噪聲試驗(yàn)譜線(xiàn)

圖14 電機(jī)A4 點(diǎn)上方2cm處噪聲頻譜圖

（2）當(dāng)頻率為96.7Hz、193.4Hz、290.1Hz、386.8Hz、……時(shí)，亦即當(dāng)頻率為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的整數(shù)倍時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)A4點(diǎn)正上方2cm處的A聲級(jí)亦有幅值。這可能由滾動(dòng)軸承、時(shí)間諧波電流等情況引起。

4.3 異常噪聲發(fā)生工況下聲源探測(cè)

轉(zhuǎn)速為5800rpm、轉(zhuǎn)矩為100N.m時(shí)分析聲速分布，如圖15所示，可知此工況下，端蓋為主要聲源。

圖15 轉(zhuǎn)速為5800rpm、轉(zhuǎn)矩為100N.m時(shí)聲速分布圖

5 結(jié)論

本文進(jìn)行了電動(dòng)汽車(chē)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)噪音機(jī)理分析，建立以轉(zhuǎn)速為輸入信號(hào)和以噪聲頻率與階次為輸出信號(hào)的電機(jī)振動(dòng)噪聲理論模型，并推導(dǎo)出A聲級(jí)理論譜線(xiàn)。測(cè)試永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲，并驗(yàn)證理論分析的正確性，識(shí)別被測(cè)電機(jī)的異常噪聲源。

簡(jiǎn)化了永磁同步電機(jī)噪聲的分析過(guò)程，可以快速分析定位電機(jī)噪聲的產(chǎn)生原因，為其它類(lèi)似項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 車(chē)勇,劉浩,郭順生等.基于聲學(xué)包設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲優(yōu)化[C].2013中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集. 2013:1446-1448.

[2] Ma Conggan, Zuo Shuguang. Black-box Method of Identification and Diagnosis of Abnormal Noise Sources of Permanent Magnet Synchronous Machines for Electric Vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014, 61(10): 5538-5549.

[3] 馬琮淦.電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)非線(xiàn)性電磁振動(dòng)和異常噪聲研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué), 2014: 115-130.

[4] Conggan Ma, Qinghe Liu, et al. A Novel Black and White Box Method for Diagnosis and Reduction of Abnormal Noise of Hub Permanent-Magnet Synchro, IEEE TRANSACTIONS ON INDUST -RIAL ELECTRONICS,2016 (2),VOL.63,NO.2.

[5] 宋志環(huán),車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲源診斷技術(shù)[J],電機(jī)與控制應(yīng)用,2018,45（7）.

[6] 岳東鵬,夏洪兵,高輝.電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁噪聲的仿真分析[J],噪聲與振動(dòng)控制,2018年4月,第38卷,第Z1期.

[7] Gieras J F, Wang C, Lai C. Noise of Polyphase Electrical Machine [M]. Boca Raton: CRC Press, 2006.

[8] Singiresu S. Rao. Mechanical Vibrations, Fourth Edition[M].New Jersey: Pearson Prentice Hall,2004.

[9] Xu Y, Yuan Q, Zou J, et al. Analysis of Triangular Periodic Carrier Frequency Modulation on Reducing Electromagnetic Noise of Per -manent Magnet Synchronous Motor[J]. IEEE Transactions on Mag -netics. 2012, 48(11): 4424-4427.

[10] 劉瀾濤,寧興江,馬琮淦等.內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)噪聲源識(shí)別軟件. 計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán),2016年7月,登記號(hào):2016SR329952.

[11] GB/T 10069.1-2006旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法及限值第1部分:旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法[S].

Modeling and Analyzing of Vibration& Noise of Driving PMSM of Electric Vehicle

Ning Xingjiang

( AIWAYS (Shanghai) Automobile Co., Ltd, Shanghai 200090 )

Noise of driving motor of a pure electric prototype vehicle was complained while testing. Three steps were implemented in order to diagnose and identify the sources of noise. Firstly, the mechanism of vibration& noise of PMSM was analyzed, the theoretical model of PMSM vibration& noise with relationship between input rotation speed and output noise frequency & order was established. Theoretical spectrum lines of PMSM noise of A-weighted sound level was deduced simultaneously. Secondly, the vibration& noise of the PMSM was tested, experimental spectrum lines of noise of A- weighted sound level was disclosed. Finally, the theoretical model is proved by comparison of theoretical predictions and experimental results. And the noise resources are diagnosed and identified too. Thus the theoretical model combine with experiment can identify the abnormal noise resources of PMSM quickly.

electric vehicle; PMSM; vibration& noise; theoretical spectrum lines of noise; experimental spectrum lines of noise

A

1671-7988(2019)03-13-05

U469.72

A

1671-7988(2019)03-13-05

U469.72

寧興江（1980-)，男，碩士，工程師，任愛(ài)馳汽車(chē)（上海）限公司電驅(qū)動(dòng)與充電總監(jiān)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.004