新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH開發(fā)研究

李志申， 崔慶濤， 方順亭

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)現(xiàn)狀

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是新能源車輛和混合動(dòng)力車輛的核心動(dòng)力源，基于電磁感應(yīng)效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將整車提供的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)整車行駛。按照輸入的電流劃分，可將驅(qū)動(dòng)電機(jī)分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩種形式。當(dāng)前主流的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為交流電機(jī)，將交流電輸送給定子(通常是硅鋼片搭配銅線圈，固定不動(dòng))，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子(由電磁鐵、永磁體或硅鋼片制成)受旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)影響，形成旋轉(zhuǎn)力矩。根據(jù)轉(zhuǎn)子與定子的轉(zhuǎn)速一致性劃分，又可將交流電機(jī)區(qū)分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。當(dāng)前的新能源市場(chǎng)主流驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要為永磁同步電機(jī)和鼠籠式異步感應(yīng)電機(jī)，其中永磁同步電機(jī)占國內(nèi)造車勢(shì)力中電機(jī)比重的絕對(duì)主流份額。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要零部件一般包括：轉(zhuǎn)子、定子、線束、殼體、端蓋等，其中按價(jià)值含量高低依次是定子、繞組、軸承、轉(zhuǎn)子，成本占比分別為19%、17%、12%、11%。以驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成為下游劃分，則定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯、定子繞組、軸承、端蓋等零部件為中游，銅線、鋁合金、硅鋼片、永磁體等原材料為上游。上游原材料的供應(yīng)商多為大型金屬材料供應(yīng)商，包括生產(chǎn)永磁體的正海磁材、金力永磁等；中游生產(chǎn)定子、轉(zhuǎn)子、軸承的供應(yīng)商多為小型非上市公司，以組裝為主；下游生產(chǎn)電機(jī)總成的企業(yè)主要為三類，分別為整車廠包括比亞迪、特斯拉等，電機(jī)廠包括方正電機(jī)、精進(jìn)電動(dòng)等，傳統(tǒng)整車零部件供應(yīng)商包括博世、大陸、麥克納等。

新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)是工業(yè)電機(jī)的一種，鑒于車載工況的特殊環(huán)境，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳統(tǒng)工業(yè)電機(jī)在性能方面的特殊差異主要體現(xiàn)在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、調(diào)速范圍寬、散熱需求強(qiáng)、高效區(qū)間廣、NVH性能優(yōu)秀。

1)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大：新能源汽車更強(qiáng)調(diào)起步響應(yīng)、百公里加速等性能指標(biāo)，新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在起動(dòng)或低速時(shí)要求更高扭矩，將汽車速度以最短的時(shí)間提升至期望值。

2)功率密度高：車載驅(qū)動(dòng)電機(jī)有嚴(yán)格的重量要求、體積要求和功率要求。電機(jī)的重量和尺寸直接影響汽車的動(dòng)力性能和布置空間，電機(jī)設(shè)計(jì)的方向與難點(diǎn)在于盡可能提高功率重量密度和功率體積密度。

3)調(diào)速范圍寬：驅(qū)動(dòng)電機(jī)廣闊的調(diào)速范圍可以使新能源汽車省掉傳統(tǒng)多擋變速箱，只使用固定檔的齒輪組，即可實(shí)現(xiàn)寬闊的調(diào)速范圍，并有效降低成本。

4)散熱需求強(qiáng)：由于新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度高，散熱問題隨之而來。1臺(tái)150KW的傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)總成，體積大概在409L，而相同峰值功率的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)總成，體積可做到82L，只有傳統(tǒng)動(dòng)力總成的20%。小體積、高功率的設(shè)計(jì)可帶來散熱、機(jī)械振動(dòng)、電磁兼容、NVH嘯叫等問題。電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率在90%以上，峰值效率約在95%，平均能量損耗約占10%，且這10%的能量損耗多以發(fā)熱的形式體現(xiàn)，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的散熱需求較強(qiáng)。

5)高效區(qū)間廣：新能源汽車，尤其是純電動(dòng)汽車由車載電池包供電，電機(jī)效率直接影響續(xù)航里程，因此對(duì)于電機(jī)的效率要求很高。新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要擁有盡可能廣的高效率運(yùn)行區(qū)間，正常城市路況下汽車不會(huì)頻繁起動(dòng)，也不會(huì)持續(xù)超高速運(yùn)行，更多的是在勻速行駛中進(jìn)行加速超車或減速制動(dòng)動(dòng)作，因此中間部分的運(yùn)行效率尤其重要。

6)NVH性能優(yōu)秀：與傳統(tǒng)工業(yè)電機(jī)相比，由于客戶的挑剔性，新能源車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)需具備更優(yōu)秀的NVH性能。各生產(chǎn)廠家和主機(jī)廠花費(fèi)巨額的人力與財(cái)力用于優(yōu)化電機(jī)噪聲，目前驅(qū)動(dòng)電機(jī)的NVH開發(fā)已經(jīng)成熟。

2 永磁同步電機(jī)噪聲機(jī)理

最常見的三種交流電機(jī)是永磁同步電機(jī)、感應(yīng)異步電機(jī)和同步磁阻電機(jī)。交流電機(jī)的定子基本相同，主要區(qū)別在轉(zhuǎn)子。定子主要由鐵心、線圈組成，定子鐵心由硅鋼片疊壓而成；漆包線繞制成線圈，嵌入鐵心槽內(nèi)，再進(jìn)行絕緣處理；將絕緣處理后的鐵心套入機(jī)殼得到定子。定子繞組接入交流電源(通常是三相交流電，三相交流電與空間角度120°的線圈相結(jié)合，形成的合成磁場(chǎng)就像是一個(gè)強(qiáng)度均勻的磁場(chǎng)在旋轉(zhuǎn))，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子由鐵心、磁鋼、軸壓裝而成，磁鋼提供電機(jī)磁通，由稀土釹鐵硼經(jīng)粉末冶金法制成，對(duì)電機(jī)性能影響最大。

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，即交流電頻率保持同步。定子繞組接通交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)受定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)而跟著旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而輸出動(dòng)力。永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于，功率密度高、運(yùn)行效率高、轉(zhuǎn)矩大且平順、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊、調(diào)速性能好。

永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于，功率密度高、運(yùn)行效率高、轉(zhuǎn)矩大且平順、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊、調(diào)速性能好。

1)功率密度高：永磁同步電機(jī)的釹鐵硼磁性材料具備優(yōu)秀的磁力性能，在充磁后不用繼續(xù)增加外部能量，即可構(gòu)建較強(qiáng)的永恒磁場(chǎng)，無需額外電路進(jìn)行勵(lì)磁(即給導(dǎo)體通電產(chǎn)生磁場(chǎng))。在額定功率下，相同絕緣材料和散熱條件的永磁同步電機(jī)的功率密度比感應(yīng)異步電機(jī)大2倍以上。

2)運(yùn)行效率高：由于轉(zhuǎn)子使用永磁體，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常無需通電勵(lì)磁，可減少相關(guān)的能量損耗，效率較高。

3)轉(zhuǎn)矩大且平順：在額定電流范圍內(nèi)，提高電流即可快速提高電機(jī)扭矩。此外，三相交流電在定子中形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)也較為穩(wěn)定，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，尤其在低速大轉(zhuǎn)矩工況下(對(duì)應(yīng)整車起步加速階段)，永磁同步電機(jī)相較于異步感應(yīng)電機(jī)擁有突出優(yōu)勢(shì)。

4)調(diào)速性能好：永磁同步電機(jī)的電、磁和力的三者關(guān)系相較于感應(yīng)異步電機(jī)更加簡(jiǎn)單，更易于調(diào)速和控制。異步電機(jī)的狀態(tài)方程是四階的，轉(zhuǎn)子與定子的方程耦合(轉(zhuǎn)子內(nèi)的電流是由定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)感應(yīng)產(chǎn)生)；永磁同步電機(jī)的狀態(tài)方程是二階的，永磁體的磁場(chǎng)是獨(dú)立存在的，其調(diào)速性能控制難度低于感應(yīng)異步電機(jī)。

5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊：永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)無需設(shè)置勵(lì)磁電源結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，電機(jī)結(jié)構(gòu)較為緊密，保證了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加具有可靠性。

永磁同步電機(jī)噪聲包括電機(jī)控制器噪聲、電機(jī)電磁噪聲、機(jī)械噪聲、電池冷卻噪聲等，主要由電機(jī)電磁噪聲和機(jī)械噪聲組成。其中機(jī)械噪聲包括：軸承噪聲、減速器嘯叫、轉(zhuǎn)子偏心等，主要由機(jī)械件工作產(chǎn)生。電機(jī)電磁噪聲主要由轉(zhuǎn)矩波動(dòng)(齒槽轉(zhuǎn)矩、紋波轉(zhuǎn)矩、時(shí)間諧波等)和徑向力波(定轉(zhuǎn)子基波、定轉(zhuǎn)子高階諧波、電機(jī)控制器引入開關(guān)頻率邊頻、時(shí)間諧波等)作用在電機(jī)殼體上，激勵(lì)電機(jī)殼體模態(tài)響應(yīng)，引起共振產(chǎn)生。圖1為電磁噪聲機(jī)理圖。

電磁噪聲是驅(qū)動(dòng)電機(jī)獨(dú)有的、也是最重要的噪聲。氣隙中的磁場(chǎng)使得磁密度發(fā)生變化，產(chǎn)生了交變電磁力，交變電磁力作用在定子齒槽上，產(chǎn)生電磁力(徑向力和切向力)，電磁力是與時(shí)間相關(guān)的交變力，取決于氣隙形狀、齒槽形狀等。徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度大于切向磁感應(yīng)強(qiáng)度，徑向電磁力不產(chǎn)生電磁力矩，徑向力大于切向力。切向電磁力產(chǎn)生扭矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，主要作用是維持交變磁場(chǎng)的建立，徑向力波激勵(lì)定子結(jié)構(gòu)，定子結(jié)構(gòu)振動(dòng)從而產(chǎn)生輻射噪聲，尤其徑向力電磁力波的頻率與定子結(jié)構(gòu)模態(tài)一致時(shí)，輻射噪聲非常明顯，電磁力產(chǎn)生的噪聲是高頻嘯叫聲，人耳較容易識(shí)別到。

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)特有的問題之一，檔永磁電機(jī)定子繞組不通電時(shí)，永磁體磁場(chǎng)與定子開槽磁阻相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是由永磁體與定子之間相互的切向分力引起。無供電的永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子有自行調(diào)整至磁阻最小位置的趨勢(shì)，從而產(chǎn)生的周期性轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩與電樞電流無關(guān)，是定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置的函數(shù)，與電機(jī)本體設(shè)計(jì)特性有關(guān)(如極槽配合齒槽和磁極的結(jié)構(gòu)尺寸等)。齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)引起永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致速度波動(dòng)，使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，尤其脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的頻率與電樞電流諧振頻率一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，勢(shì)必會(huì)放大齒槽轉(zhuǎn)矩的振動(dòng)和噪聲。

紋波轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)負(fù)載時(shí)，定子磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子電磁特性相互作用產(chǎn)生的扭矩。當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子有相同的諧波感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的紋波扭矩，紋波扭矩與諧波階次成正比，因此，高次諧波的紋波扭矩更大。使用轉(zhuǎn)子斜槽，形成的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似于同一根轉(zhuǎn)子導(dǎo)條均勻分布在一段圓周范圍內(nèi)的平均值，能有效的削弱齒諧波磁場(chǎng)所產(chǎn)生的諧波電動(dòng)勢(shì)，從而削弱由這些諧波磁場(chǎng)引起的附加轉(zhuǎn)矩，降低電磁振動(dòng)和噪聲。轉(zhuǎn)子斜槽后雖然也會(huì)使轉(zhuǎn)子感應(yīng)的基波電動(dòng)勢(shì)減少，但一般選擇的斜槽度相對(duì)于極距來說小得多，因而對(duì)電機(jī)基本性能影響很小，故中小型鑄鋁轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)普遍采用轉(zhuǎn)子斜槽。

3 扁線電機(jī)NVH優(yōu)勢(shì)

新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)在性能方面的特殊需求主要體現(xiàn)在功率密度高、高效區(qū)間廣、調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、散熱需求強(qiáng)等。因此，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)也將圍繞這些性能展開，當(dāng)前比較主流的幾個(gè)方向即扁線電機(jī)、油冷電機(jī)以及多合一電驅(qū)動(dòng)總成。扁線電機(jī)擁有更高的功率密度，扁銅線之間間隙較大，冷卻油易于滲透，扁線電機(jī)的發(fā)展推動(dòng)了直接油冷技術(shù)的應(yīng)用。同時(shí)，冷卻油擁有良好的絕緣性，可作為減速器及齒輪軸承的潤滑油使用，也可收集電機(jī)余熱用于電池包的保溫，直接油冷技術(shù)加速了整車熱管理系統(tǒng)集成化的進(jìn)程，對(duì)多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成的發(fā)展又起到促進(jìn)作用。

扁線電機(jī)是指，將定子繞組中的傳統(tǒng)圓柱形漆包銅線替換為加工成發(fā)卡狀的漆包銅扁線。圓線電機(jī)的定子繞組橫截面中，圓形銅線間留下了大量間隙，而扁線電機(jī)的定子繞組橫截面中，矩形銅線可以更好地填充空間，提高槽滿率，這是扁線電機(jī)和圓線電機(jī)的本質(zhì)區(qū)別。

與圓線電機(jī)相比，扁線電機(jī)的首要優(yōu)勢(shì)即損耗降低、效率提升。永磁同步電機(jī)的損耗中，銅耗(主要是定子繞組中的損耗)占比大約為65%，鐵耗(定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯中的損耗)占比大約為20%，其余損耗占比相對(duì)較低。扁線電機(jī)和圓線電機(jī)的鐵耗水平相當(dāng)，主要差在于銅耗。

銅耗具體可分為直流損耗和交流損耗。圓線電機(jī)和扁線電機(jī)都有直流損耗，在電流相數(shù)和電流有效值給定的情況下，直流損耗與繞組的直流電阻成正比。由于圓線更細(xì)，電阻更高，因此圓線電機(jī)的直流損耗通常高于相同條件下的扁線電機(jī)。由于圓線繞組的單個(gè)繞組截面尺寸較小，交流損耗可以忽略不計(jì)，而扁線繞組由于截面尺寸較大，受趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)影響，交流損耗相對(duì)較大。

除提高效率、降低損耗外，采用扁線電機(jī)與圓線電機(jī)相比具有更大面積的高效區(qū)間、更高的功率密度、更強(qiáng)的散熱能力和更優(yōu)秀的NVH性能。從源頭分析，相同功率、更低銅損和鐵損大幅降低，高更的效率，也意味著更低的各個(gè)階次徑向力幅值，間接帶來整體NVH主要徑向力的全面降低；扁線電機(jī)需要從槽口嵌線，直接通過鐵芯端部插電即可，意味著更小的槽口設(shè)計(jì)，即更小的齒槽轉(zhuǎn)矩；更高的定子剛度：扁線電機(jī)繞組剛度更高，也即提高整體尤其是定子剛度，同樣的徑向力波，殼體表現(xiàn)出來的振動(dòng)幅值越小，同樣輻射噪聲也越小。

新能源汽車對(duì)續(xù)航里程、功率密度、能量利用效率的要求越來越高，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐漸向集成化、小型化和輕量化的方向發(fā)展。目前已經(jīng)發(fā)布的多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括三合一、四合一、六合一、七合一甚至八合一電驅(qū)系統(tǒng)，其中最常見的還是三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)“多合一”的集成化方案可以共享電路及功率半導(dǎo)體，減少線纜用量，有效縮小電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積和重量，提高功率密度，實(shí)現(xiàn)輕量化。對(duì)電機(jī)總成的NVH控制起到更有效的作用。

4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH開發(fā)流程

一般電機(jī)NVH開發(fā)流程共包括八個(gè)部分，見圖2。分別為：設(shè)計(jì)需求、拓?fù)湓O(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)、仿真分析、A樣機(jī)、整改優(yōu)化、B樣機(jī)、整車匹配。

1)在設(shè)計(jì)需求階段，根據(jù)性能需求，對(duì)標(biāo)競(jìng)品，確定電機(jī)性能參數(shù)和NVH性能指標(biāo)。

2)拓?fù)湓O(shè)計(jì)階段確認(rèn)電機(jī)類型、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)徑比、槽數(shù)等結(jié)構(gòu)及其對(duì)NVH的影響。

3)電磁設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)電機(jī)幾何尺寸以及極槽配合、繞組、材料選型及其對(duì)NVH影響，齒槽轉(zhuǎn)矩分析等。

4)仿真分析階段包括電磁仿真、結(jié)構(gòu)仿真、多物理場(chǎng)仿真、平衡其他性能指標(biāo)，見圖3。

5)A樣機(jī)階段進(jìn)行樣機(jī)臺(tái)架NVH測(cè)試、校驗(yàn)仿真結(jié)果、結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試、噪聲源識(shí)別測(cè)試。

6)整改優(yōu)化階段進(jìn)行電磁方案優(yōu)化、結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化、性能平衡、最優(yōu)方案選擇。

7)B樣機(jī)階段對(duì)優(yōu)化后樣機(jī)進(jìn)行臺(tái)架NVH驗(yàn)收、裝車NVH驗(yàn)證、達(dá)成單體目標(biāo)等。

8)整車匹配階段進(jìn)行整車試驗(yàn)驗(yàn)證、懸置設(shè)計(jì)、聲學(xué)包開發(fā)、目標(biāo)達(dá)成確認(rèn)等。

5 結(jié)語

本文介紹了新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)論述了目前行業(yè)內(nèi)主流電機(jī)：永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和噪聲機(jī)理，對(duì)引起永磁同步電機(jī)電磁噪聲的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和徑向力波產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)闡述，介紹了扁線電機(jī)的NVH性能優(yōu)勢(shì)，建立了永磁同步電機(jī)的NVH開發(fā)流程和永磁同步電機(jī)噪聲仿真流程，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的NVH開發(fā)提供了方向。