純電動汽車永磁同步電機引起車內(nèi)嘯叫的分析及優(yōu)化

朱建　呂運川　鄭濤　劉超

摘 要：純電動汽車永磁同步電機是影響整車的NVH性能主要激勵源之一，通過對驅(qū)動電機定子的分析與優(yōu)化，能有效降低電機諧頻激勵，減小電機振動，從而提高整車NVH舒適性。文章以一款純電動車型為例，重點講述通過測試排查減速能量回收車內(nèi)嘯叫問題，確認(rèn)驅(qū)動電機24階、48階激勵通過結(jié)構(gòu)和空氣傳遞到車內(nèi)，引起車內(nèi)中高頻嘯叫聲，最終優(yōu)化驅(qū)動電機定子繞組得以改善，達到優(yōu)化車內(nèi)噪聲的目的，為純電動汽車NVH性能開發(fā)和優(yōu)化提供參考與借鑒。關(guān)鍵詞：純電動汽車;驅(qū)動電機;能量回收;嘯叫中圖分類號：U469.7? 文獻標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）02-13-03

Abstract： The PMSM motor of a electric vehicle is one of the most important incentive source to affect the NVH performance. By the analysis and optimization of the driving motor stator， the harmonic frequency excitation of the motor can be effectively reduced， and the motor vibration became lower， so as to improve the NVH performance of the vehicle This article takes a electric vehicle as an example， it focus on describing the troubleshooting process of a interior whine issue at deceleration energy recovery condition. It is confirmed that the 24th and 48th order excitations of the driving motor are transmitted to the interior vehicle by the structure and air transfer path， and it caused a high-frequency whine noise interior of vehicle. Finally， the stator windings of the drive motor were designed to improved and optimize the interior whine noise. It provides a reference for NVH performance development and optimization of electric vehicle.Keywords： Electric vehicle; Driving motor; Energy recovery; WhineCLC NO.： U469.7? Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）02-13-03

前言

隨著世界環(huán)境問題嚴(yán)峻化、國內(nèi)汽車排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格化，新能源電動汽車作為一種使用電能作為驅(qū)動能源的現(xiàn)代交通工具，將作為全球汽車工業(yè)當(dāng)前和未來發(fā)展的重點。純電動汽車使用電機作為動力源，是驅(qū)動整車行駛的核心部件。而永磁同步電機^[1]（PMSM）因具有高功率密度、高效率、良好的轉(zhuǎn)矩特性，以及結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲振動低等特點，是目前純電動汽車的主流選擇。驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩波動^[2-3]將直接影響到車內(nèi)噪聲振動舒適性。本文以某純電動汽車開發(fā)過程中在減速能量回收工況車內(nèi)電磁嘯叫聲的優(yōu)化過程為例，考慮了驅(qū)動電機高階諧頻激勵對整車NVH性能的影響，并對電機定子繞組進行優(yōu)化，從而達到消除車內(nèi)高頻嘯叫聲的目的，旨在為純電動汽車NVH性能開發(fā)和優(yōu)化提供參考與借鑒。

1 問題描述

該純電動車型搭載的電驅(qū)動系統(tǒng)包含永磁同步電機、單速比減速器以及三合一控制器，布置方式采用前置前驅(qū)，電機轉(zhuǎn)子為8磁極V型，定子為48槽單層繞組結(jié)構(gòu)。在減速能量回收工況，電機轉(zhuǎn)速由3500rpm（轉(zhuǎn)/分鐘）降到1300rpm期間，主觀評價車內(nèi)有明顯高頻嘯叫聲。對該工況下車內(nèi)噪聲進行測試，結(jié)果如圖1-2所示。

2 診斷分析

對車內(nèi)噪聲及突出率彩圖進行階次切片分析，如圖3-4。整車減速能量回收工況車內(nèi)嘯叫聲24階3500-1800rpm及48階2000-1300rpm均比較明顯，車內(nèi)噪聲突出率24階和48階在對應(yīng)轉(zhuǎn)速均大于目標(biāo)4dB，測試結(jié)果與主觀評價結(jié)果相對應(yīng)。

本樣車驅(qū)動電機為8極48槽永磁同步電機，主要激勵為8k階^[6]（k=1、2、3、4…），24階為電機轉(zhuǎn)子磁極數(shù)3階諧頻，48階為電機轉(zhuǎn)子磁極6階諧頻和定子齒槽數(shù)基頻。

3 電機階次嘯叫聲優(yōu)化

永磁同步電機三相交流繞組的形式很多，按繞組層數(shù)分為單層繞組和雙層繞組。單層繞組即每一個定子槽內(nèi)僅有一個線圈，雙層繞組則一個定子槽內(nèi)有兩個線圈（上層線圈、下層線圈），如圖5所示：

單層繞組的特點是：槽內(nèi)無層間絕緣，槽利用率高; 同一槽內(nèi)導(dǎo)體居于同一相，不會發(fā)生層間擊穿;線圈數(shù)較雙層少，線圈制造和嵌線方便，但不能做成短節(jié)距以改善磁場波形。

雙層繞組的特點是：可通過合理選擇節(jié)距和分布的辦法來改善感應(yīng)電動勢和磁動勢的波形，使永磁同步電機得到較好的電磁性能;端部排列整齊，線圈尺寸相同，便于制造，但絕緣材料及線圈用量多，嵌線復(fù)雜，這樣能增加端部的掛漆量，削弱運行過程中端部振動。雙層繞組在運行過程中能有效的減小電機扭矩波動，從而也減小基頻以外的其他諧頻階次振動噪聲^[4-5]。優(yōu)化試制定子雙繞組電機，如圖6所示。

在整車狀態(tài)下，通過示波器測試雙繞組電機電流波形，與單繞組對比雙繞組電機電流波形更為平順且正弦化，如圖7所示。

經(jīng)整車測試驗證，減速能量回收工況車內(nèi)噪聲24階、48階均明顯降低;噪聲階次突出率也明顯降低，滿足目標(biāo)≤4dB，結(jié)果如圖8-11所示。主觀評價車內(nèi)電機嘯叫聲明顯改善。

4 結(jié)論

永磁同步電機定子繞組形式對純電動汽車車內(nèi)嘯叫聲有很大影響。本文通過對驅(qū)動電機定子繞組進行優(yōu)化，有效降低了整車減速能量回收工況電機諧頻階次（24階、48階）引起的車內(nèi)中高頻嘯叫聲，提升了該電動汽車車內(nèi)噪聲舒適性。本文旨在為純電動汽車NVH性能開發(fā)和優(yōu)化提供參考與借鑒。

參考文獻

[1] 王曉杰.電動汽車用永磁同步電機的設(shè)計及優(yōu)化[D]，華中科技大學(xué)，2016.

[2] 王碩，康勁松，鐘再敏，等.電動汽車用永磁同步電機扭矩脈動抑制方法綜述[N].電源學(xué)報.2016（9）：24-30.

[3] 王斯博，趙慧超，李志宇，等.電動車永磁同步電機轉(zhuǎn)矩波動分析及測試[J].電機與控制學(xué)報，2015，19（9）：95-102.

[4] 甑帥.大功率永磁同步電機運行諧波分析與抑制方法研究[D]，重慶大學(xué).2011.

[5] 武先俊.李志明.汽車電機噪聲機理和降噪方法[J].微特電機，2003 （1）：14-16.

[6] 林福，左曙光，吳旭東，等.基于階次分析的永磁同步點及噪聲源識別[J].工業(yè)工程學(xué)報，2016（9）：69-75.