電流角對(duì)永磁同步電機(jī)開關(guān)頻率噪聲的影響

王剛 牛文博 蔡輝 郭守侖 范雨卉 陳野

（1.中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院NVH研究所；2.中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司新能源開發(fā)院電機(jī)電驅(qū)動(dòng)研究所）

隨著電動(dòng)汽車的普及與發(fā)展，驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起的整車噪聲問題也備受關(guān)注。與傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲不同，電動(dòng)汽車的電機(jī)噪聲主要是電機(jī)的階次噪聲與開關(guān)頻率噪聲，在車內(nèi)表現(xiàn)為惱人的嘯叫。對(duì)于開關(guān)頻率噪聲，電機(jī)在逆變器供電的條件下，定子電流中含有大量的時(shí)間諧波，使氣隙磁場(chǎng)也產(chǎn)生大量的諧波，輸入電流的高次諧波會(huì)引起電磁噪聲[1]，其振動(dòng)噪聲頻率主要分布在開關(guān)頻率及其倍數(shù)附近[2]。這種高頻噪聲會(huì)嚴(yán)重影響駕乘人員的主觀感受。提高開關(guān)頻率，可以使開關(guān)噪聲避開人耳敏感區(qū)，但是會(huì)增加功率模塊的功率損耗，對(duì)逆變器散熱要求也更高。針對(duì)此問題，文章通過永磁同步電機(jī)臺(tái)架噪聲測(cè)試，驗(yàn)證不同電流角對(duì)開關(guān)頻率噪聲的影響，探索在不提高開關(guān)頻率的前提下，解決開關(guān)頻率噪聲的辦法。

1 電機(jī)開關(guān)頻率噪聲產(chǎn)生機(jī)理

圖1示出電動(dòng)汽車電機(jī)的開關(guān)頻率噪聲產(chǎn)生機(jī)理。逆變器的作用是根據(jù)控制策略，提供電機(jī)所需的三相交流電壓和電流，一般采用三相半橋電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1a所示。通過空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)將動(dòng)力電池的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，由此產(chǎn)生開關(guān)頻率噪聲。6～12 kHz頻率的開關(guān)噪聲可能會(huì)被客戶感知并厭煩，更高頻率的開關(guān)噪聲客戶較難感知[3]。當(dāng)前，逆變器開關(guān)頻率多為10 kHz或更高[4]。

圖1 電動(dòng)汽車電機(jī)的開關(guān)頻率噪聲產(chǎn)生機(jī)理

電機(jī)由逆變器供電，采用空間矢量脈寬調(diào)制算法，其輸出的電流波形不是理想的正弦波，如圖1b所示，而是存在大量的電流諧波，電流基波與各次諧波的相互調(diào)制產(chǎn)生徑向電磁力，引起以開關(guān)頻率為中心對(duì)稱分布的噪聲[5]。噪聲頻譜表現(xiàn)，如圖1c所示。

2 電流角與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

圖2示出永磁同步電機(jī)空間矢量圖。

圖2 永磁同步電機(jī)空間矢量圖

電流角[6]是定子磁鏈與永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)間的空間電角度，即圖2中id與iq合成的電流空間矢量is與d軸的空間角度β。電流角與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，如式（1）所示。電流角的不同會(huì)影響電磁轉(zhuǎn)矩和電磁力，進(jìn)而影響電機(jī)開關(guān)頻率產(chǎn)生的噪聲。

式中：Tem——電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；

p——極對(duì)數(shù)；

Lmd——定、轉(zhuǎn)子間的d軸互電感，H；

Ld，Lq——定子繞組的d，q軸電感，H。

提高開關(guān)頻率，可以使其噪聲頻率避開客戶易感知的頻率范圍，但會(huì)增加功耗，降低逆變器效率。在某電機(jī)（8極48槽，開關(guān)頻率為8 kHz）的開發(fā)階段，在不影響效率的前提下，進(jìn)行了電流角對(duì)開關(guān)頻率噪聲影響的研究。

3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)臺(tái)架NVH測(cè)試方法

3.1 電機(jī)NVH臺(tái)架搭建

在半消聲室環(huán)境下進(jìn)行電機(jī)臺(tái)架噪聲測(cè)量，消聲室凈空間尺寸為11.4 m×8.4 m×4.8 m，聲學(xué)結(jié)構(gòu)為金屬尖劈（長(zhǎng)×寬×高）1 000 mm×500 mm×800 mm，截止頻率為100 Hz（截止頻率以上吸聲系數(shù)≥0.99），背景噪聲≤25 dB。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與臺(tái)架通過適配安裝板剛性連接，使用剛性聯(lián)軸器與測(cè)功機(jī)連接。測(cè)功機(jī)及其附屬設(shè)備須進(jìn)行噪聲隔離與屏蔽，確保不會(huì)干擾電機(jī)噪聲的測(cè)量。夾具走線孔使用隔聲材料進(jìn)行封堵。

3.2 電機(jī)噪聲測(cè)點(diǎn)位置

采用平行六面體的測(cè)試面，在電機(jī)某一側(cè)端面，距離電機(jī)殼體外輪廓幾何中心位置0.5 m處布置傳聲器，傳聲器垂直指向電機(jī)表面，如圖3所示。

圖3 電動(dòng)汽車電機(jī)噪聲測(cè)點(diǎn)位置示意圖

3.3 電機(jī)噪聲測(cè)試工況

電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在6 500 r/min，電流的有效值為260 A，其他工作條件不變，設(shè)定不同的電流角：125.0，127.0，128.4（原狀態(tài)），130.0，131.0，135.0°，進(jìn)行臺(tái)架電機(jī)噪聲測(cè)量。

3.4 不同電流角的電機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果

圖4示出不同電流角的噪聲測(cè)量頻譜。由圖4可以看出，電機(jī)開關(guān)頻率產(chǎn)生的噪聲在f1±3f0、f1±f0頻率處存在較明顯的噪聲峰值。根據(jù)電機(jī)整車、臺(tái)架噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累與分析，一般情況下，這些開關(guān)頻率噪聲幅值較大，較易在車內(nèi)產(chǎn)生高頻嘯叫，影響駕乘感受。

圖4 電動(dòng)汽車電機(jī)不同電流角噪聲測(cè)量頻譜

提取不同測(cè)試工況的f1±3f0、f1±f0頻率噪聲幅值進(jìn)行綜合對(duì)比，如圖5所示。從圖5可以直觀看出：隨著電流角的增大，電機(jī)開關(guān)頻率諧波f1±3f0、f1±f0頻率噪聲幅值均呈下降趨勢(shì)，f1+f0頻率噪聲降低2.4 dB，f1-f0頻率噪聲降低3.6 dB，f1+3f0頻率噪聲降低1.1 dB，f1-3f0頻率噪聲降低4.4 dB。測(cè)試結(jié)果表明，電流角是影響電機(jī)開關(guān)頻率噪聲的重要因素之一，調(diào)整電流角可有效改善電機(jī)開關(guān)頻率噪聲。

圖5 電動(dòng)汽車電機(jī)不同電流角開關(guān)頻率噪聲測(cè)量結(jié)果

在調(diào)整電流角進(jìn)行噪聲測(cè)試的過程中，也同步記錄了電機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，如圖6所示。從圖6可以看出，其他試驗(yàn)條件不變，隨著電流角變大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩有所下降。因此，調(diào)整電流角、降低開關(guān)頻率噪聲的方案還需要統(tǒng)籌考慮，需要兼顧電機(jī)的噪聲與電機(jī)性能。

圖6 電動(dòng)汽車電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨電流角變化曲線

4 結(jié)論

電動(dòng)汽車電機(jī)的開關(guān)頻率噪聲幅值大、易被感知，一旦在車內(nèi)出現(xiàn)，會(huì)嚴(yán)重影響駕乘人員的主觀感受。電機(jī)臺(tái)架噪聲測(cè)試結(jié)果表明，電流角是影響電機(jī)開關(guān)頻率噪聲的重要因素之一，增大電流角可以在不提高開關(guān)頻率、不增加功率損耗的情況下，有效降低開關(guān)頻率諧波分量噪聲。該結(jié)果為設(shè)計(jì)與NVH人員提供了一種優(yōu)化開關(guān)頻率噪聲的方案與策略，但是，隨著電流角的增大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)略有降低，噪聲與性能二者如何取舍，需要結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮。