電動汽車用永磁同步電機(jī)NVH優(yōu)化及測試研究

黃薪槐，唐容輝，鄒世偉，陸新華，何逸波

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西汽車新四化重點實驗室，廣西 柳州 545007）

引言

當(dāng)前電動車用驅(qū)動電機(jī)主流是永磁同步電機(jī)，主要原因為永磁同步電機(jī)效率較高，可靠性好。驅(qū)動電機(jī)是電動汽車動力輸出關(guān)鍵零部件，其NVH性能對整車駕駛舒適性影響較大，電機(jī)“嘯叫”將使駕駛員感受變差[1]。因此驅(qū)動電機(jī)NVH的測試與優(yōu)化顯得尤為重要。

1 電動汽車用永磁同步電機(jī)NVH影響因素分析

電動汽車用永磁同步電機(jī)振動噪聲來源主要分為機(jī)械激勵和電磁激勵兩部分。其中機(jī)械激勵包括軸承激振，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸動平衡不良、驅(qū)動電機(jī)與減速器花鍵匹配不良引起的激振，轉(zhuǎn)矩控制不穩(wěn)定引起轉(zhuǎn)矩波動的激振以及結(jié)構(gòu)共振；電磁激振主要是氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力波，電磁力波中的徑向分量會導(dǎo)致電機(jī)鐵芯發(fā)生周期變形產(chǎn)生振動，是電磁振動和噪聲的主要來源，切向分量會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸發(fā)生渦振引起轉(zhuǎn)矩波動發(fā)生軸系扭振。

1.1 軸承激振

電動汽車用永磁同步電機(jī)使用的軸承主要是滾動軸承，其品質(zhì)及安裝質(zhì)量的優(yōu)劣在電機(jī)運轉(zhuǎn)，尤其是高速運轉(zhuǎn)時在振動噪聲幅值表現(xiàn)好壞。軸承滾珠的圓度、直徑，內(nèi)外圈安裝的同軸度，滾珠及軌道表面的粗糙度，軸承的潤換以及預(yù)緊力等都會直接影響軸承的激振力。一般而言，軸承激振引起的振動噪聲頻譜很豐富、頻譜范圍很寬，且與轉(zhuǎn)速成正比。

1.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸動平衡不良

驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸由于材料不均、加工誤差以及安裝偏差會產(chǎn)生偏心質(zhì)量，當(dāng)其在高速旋轉(zhuǎn)時，偏心質(zhì)量會產(chǎn)生偏心力矩，發(fā)生動不平衡，引起振動。動平衡不良引起的振動特征為振動頻率跟轉(zhuǎn)頻相等，振動大小隨轉(zhuǎn)速升高而增大，與負(fù)載無關(guān)。

1.3 驅(qū)動電機(jī)與減速器安裝配合不良

驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)軸與減速器輸入軸在安裝時軸心同軸度偏差大，驅(qū)動電機(jī)與驅(qū)動減速器時花鍵嚙合偏差，產(chǎn)生機(jī)械脈沖沖擊，其振動大小與兩軸軸心同軸度正相關(guān)，頻率為2倍轉(zhuǎn)頻。除安裝軸心同軸度外，花鍵配合間隙以及齒形本身的形位公差也會引起機(jī)械沖擊，其振動頻率與轉(zhuǎn)頻相同。驅(qū)動電機(jī)與減速器安裝配合不良產(chǎn)生的振動和噪聲在驅(qū)動電機(jī)單獨運行時會消失，這也是排查的直接重要依據(jù)之一。

1.4 轉(zhuǎn)矩波動

電動汽車用永磁同步電機(jī)主流控制方法是PWM（矢量脈寬調(diào)制），包括驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)以及交直軸電流PI調(diào)節(jié)。如果PI調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置不好，在驅(qū)動電機(jī)高轉(zhuǎn)速下弱磁控制會不穩(wěn)定，引起電流控制故障，導(dǎo)致輸出的轉(zhuǎn)矩波動，發(fā)生振動[2]。轉(zhuǎn)矩波動發(fā)生一般在驅(qū)動電機(jī)高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩，在整車上表現(xiàn)為高速超車時電機(jī)突然異響。

1.5 電磁噪聲

如前文所述，電磁噪聲主要是氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力波徑向分量使鐵芯發(fā)生周期變形產(chǎn)生振動，從而導(dǎo)致周圍空氣脈動引起氣載噪聲。電磁振動的特征頻率主要是2倍電源頻率及其整數(shù)倍為主。此外電磁振動還有一個顯著的特性是斷電立即消失，這是判斷振動來源的方法之一。

2 電動汽車用永磁同步電機(jī)NVH優(yōu)化方案

上文分析了電動汽車用永磁同步電機(jī)振動噪聲產(chǎn)生的原因以及不同原因產(chǎn)生的振動噪聲的特性分析，下文將針對以上因素從結(jié)構(gòu)設(shè)計和電磁設(shè)計兩方面提出NVH優(yōu)化方案。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

結(jié)構(gòu)振動和噪聲主要來源于動不平衡和軸承激勵。因此在驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸等旋轉(zhuǎn)件設(shè)計要避免結(jié)構(gòu)不對稱，安裝完轉(zhuǎn)軸附件旋轉(zhuǎn)變壓器后需要進(jìn)行動平衡測試，以保證最高工作轉(zhuǎn)速下動不平衡量滿足要求；軸承及附件在選型時盡量選用小游隙軸承，并使用波紋、碟片彈簧等元件進(jìn)行預(yù)緊，以調(diào)整軸承游隙；驅(qū)動電機(jī)與減速器配合部分，高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩電機(jī)花鍵建議選用斜齒，并修形，同時安裝時需要保證驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)軸與減速器輸入軸的同軸度。此外，小型自然風(fēng)冷永磁同步電機(jī)散熱片形狀不可過薄且尖長，避免產(chǎn)生共振，某款小型電動車驅(qū)動電機(jī)在研發(fā)過程中通過修改其散熱片形狀明顯降低其噪聲。

2.2 電磁設(shè)計優(yōu)化

電磁振動是驅(qū)動電機(jī)振動噪聲的主要原因，在設(shè)計階段降低電磁力波幅值以及消除某些頻率的振源是降低驅(qū)動電機(jī)噪聲的主要手段。首先，在驅(qū)動電機(jī)電磁設(shè)計時，選擇滿足電磁性能的極槽配合后，需要分析該極槽配合下可能會產(chǎn)生的電磁力波階次、頻率及大小，并分析驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)的固有振型和固有頻率，校核在可能引起強(qiáng)烈振動和噪聲危險力波激勵下驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生的振動的噪聲，從降低力波大小和改善固有振動特性方面優(yōu)化驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)。然后，盡量選擇斜極或斜槽，通過改變極槽方向使徑向力波產(chǎn)生位移，可以有效削減齒諧波，降低電磁振動和噪聲[3]。此外，通過優(yōu)化驅(qū)動電機(jī)的極弧尺寸和形狀、定轉(zhuǎn)子槽形，如盡量減小槽口寬度，采用閉口槽、半閉口槽、采用磁性槽楔等措施，也能有效降低氣隙磁場諧波起到降低電磁噪聲的效果。最后，適當(dāng)增大氣隙、降低氣隙磁度也是有效減低電磁振動噪聲的有效方法，但會影響驅(qū)動電機(jī)的電磁性能，需要權(quán)衡利弊。

3 非消聲背景下電動汽車用永磁同步電機(jī)NVH測試

驅(qū)動電機(jī)NVH品質(zhì)是其性能評價的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，NHV測試是評價其品質(zhì)的主要手段。一般驅(qū)動電機(jī)NVH測試分為兩個階段，子系統(tǒng)的臺架測試和整車的路試。子系統(tǒng)臺架測試主要是驗證其本身的NVH性能，而整車路試則主要評價其對駕駛員和乘客駕駛和乘坐的感受。

本文主要討論子系統(tǒng)測試，目前驅(qū)動電機(jī)子系統(tǒng)NVH臺架測試是在專業(yè)的半消聲室配備子系統(tǒng)測試臺架，使用NVH測試設(shè)備進(jìn)行測試[4]，但專業(yè)半消聲室造價昂貴。本文提出在非消聲背景下子系統(tǒng)測試臺架進(jìn)行NVH測試方法，建立評價標(biāo)準(zhǔn)，并在某驅(qū)動電機(jī)驗證其可行性。

在專業(yè)的半消聲室內(nèi)進(jìn)行測試是同步采集、分析振動和噪聲的信號，可以同時評價驅(qū)動電機(jī)的兩項指標(biāo)。但噪聲是由振動引起的，噪聲和振動有著緊密的關(guān)聯(lián)，通過在非消聲背景下臺架的振動信號采集和分析，并采集和分析其在整車路試的NVH表現(xiàn)，結(jié)合兩者結(jié)果評價驅(qū)動電機(jī)在非消聲背景下的表現(xiàn)，并據(jù)此建立非消聲背景下臺架的振動與整車噪聲的聯(lián)系，依此建立驅(qū)動電機(jī)非消聲背景下振動評價指標(biāo)。

某驅(qū)動電機(jī)非消聲背景下臺架測試布局為在驅(qū)動電機(jī)圓周方向、徑向分別布置振動傳感器，并在近場布置麥克風(fēng)。在特定測試工況下進(jìn)行振動測試，其分析結(jié)果曲線如圖1所示。

從測試結(jié)果可以看出，該驅(qū)動電機(jī)在該測試工況下，在1 000~6 000 r/min范圍，34階、48階振動位移限值小于0.1μm，低于目標(biāo)值。

將該驅(qū)動電機(jī)安裝在整車上進(jìn)行路試時，在相同工況下，車內(nèi)48階噪聲結(jié)果如圖2所示，其中綠色曲線為其測試結(jié)果，黑色曲線為其目標(biāo)曲線。從結(jié)果可以看出，其在整車路試的表現(xiàn)與在臺架測試結(jié)果相同，均在目標(biāo)線以下。

從該驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)在非消聲背景下臺架測試與其在整車路試在相同測試條件下的結(jié)果分析表明，其振動結(jié)果與噪聲具有緊密關(guān)系，可以通過降低在非消聲背景下臺架振動來控制其在整車的噪聲。

4 結(jié)語

驅(qū)動電機(jī)NVH性能是整車駕駛和乘坐感受評價的重要影響因素，隨著驅(qū)動電機(jī)技術(shù)的日臻成熟，其NVH表現(xiàn)會越來越優(yōu)異，給電動出行帶來更好的駕駛和乘坐舒適性。