某電動(dòng)皮卡電機(jī)嘯叫分析與優(yōu)化

羅軼超，鐘秤平，陳清爽，李少杰，繆明學(xué)

某電動(dòng)皮卡電機(jī)嘯叫分析與優(yōu)化

羅軼超1,2，鐘秤平1,2，陳清爽1,2，李少杰1,2，繆明學(xué)1,2

（1.江鈴汽車股份有限公司 產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)中心，江西 南昌 330001； 2.江西省汽車噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330001）

某電動(dòng)皮卡車在加速至60～100 km/h時(shí)，車內(nèi)存在高頻嘯叫問題。針對(duì)電機(jī)激勵(lì)源，文章深入分析電機(jī)結(jié)構(gòu)及制造過程，采用臺(tái)架試驗(yàn)法研究制造過程參數(shù)磁塊磁通量公差、轉(zhuǎn)子疊壓厚度、轉(zhuǎn)子生產(chǎn)工藝對(duì)電機(jī)嘯叫的影響。針對(duì)整車傳遞路徑，采用有限元法分析傳動(dòng)軸模態(tài)，模態(tài)試驗(yàn)法測試電機(jī)端蓋模態(tài)，并確定其對(duì)電機(jī)嘯叫的影響。最后，通過端蓋模態(tài)提升、傳動(dòng)軸軸管加吸音紙、改進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子生產(chǎn)工藝，將車內(nèi)電機(jī)48階嘯叫噪聲總體優(yōu)化了6～10 dB(A)，有效解決了電動(dòng)皮卡電機(jī)嘯叫問題。

電動(dòng)皮卡；永磁同步電機(jī)；電機(jī)嘯叫；傳動(dòng)軸模態(tài)；轉(zhuǎn)子生產(chǎn)工藝

隨著皮卡進(jìn)城的解禁，皮卡電動(dòng)化和乘用化趨勢日益明顯。電動(dòng)皮卡車電機(jī)嘯叫屬于噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能問題，其主要由齒輪嚙合激勵(lì)和電機(jī)電磁激勵(lì)造成。齒輪嚙合激勵(lì)嘯叫控制方法與傳統(tǒng)車相同，主要為控制齒形參數(shù)和加工工藝[1-2]。電機(jī)電磁激勵(lì)主要包括齒槽轉(zhuǎn)矩和電磁徑向力波，其控制方法為電動(dòng)車特有，仍在研究中。

國內(nèi)外學(xué)者采用解析算法研究齒槽轉(zhuǎn)矩，推導(dǎo)出理想與非理想條件下的齒槽轉(zhuǎn)矩諧波表達(dá)式，提出轉(zhuǎn)子開輔助槽[3]、轉(zhuǎn)子斜極[4]、定子斜槽[5]等結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和定子諧波電流補(bǔ)償法[6]。針對(duì)電磁徑向力波，運(yùn)用解析法和數(shù)值法研究電磁力和定轉(zhuǎn)子及殼體模態(tài)相互作用向外輻射的噪聲[7-8]。

目前多數(shù)研究主要集中于電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化噪聲，未考慮電機(jī)制造過程參數(shù)控制以及整車邊界零件對(duì)電機(jī)噪聲的影響。

1 問題現(xiàn)象

某電動(dòng)皮卡車在加速至60～100 km/h時(shí)，車內(nèi)存在嚴(yán)重高頻嘯叫噪聲，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到 1 900～2 800 r/min。如圖1所示，嘯叫噪聲的頻譜特征為電機(jī)轉(zhuǎn)頻的46、47、48、49、50倍頻噪聲能量帶，即48倍頻及其±1、±2倍邊頻，后續(xù)稱作48階及其邊頻噪聲。從坎貝爾頻譜圖中提取48階及其邊頻噪聲能量帶，階次寬度5階，形成48階階次噪聲曲線，該噪聲在1 500～2 300 Hz頻率段偏大，在1 590 Hz、1 840 Hz、2 130 Hz這3個(gè)頻率處存在峰值。

2 電機(jī)嘯叫分析

2.1 嘯叫測試診斷

某直驅(qū)電動(dòng)皮卡動(dòng)力傳動(dòng)系由電機(jī)、傳動(dòng)軸和后橋組成，如圖2所示。

1－電機(jī)；2－傳動(dòng)軸；3－后橋；4－傳動(dòng)軸中間支撐。

整車狀態(tài)下，在電機(jī)殼體、后橋、傳動(dòng)軸中間支撐布置振動(dòng)傳感器，在電機(jī)近場布置麥克風(fēng)，采集噪聲及振動(dòng)數(shù)據(jù)。如圖3所示，電機(jī)近場噪聲48階能量帶明顯，與車內(nèi)噪聲特征對(duì)應(yīng)，確定嘯叫來自電機(jī)激勵(lì)。

圖4為電機(jī)噪聲振動(dòng)簡易測試臺(tái)架，近場麥克風(fēng)布置在距離電機(jī)50 cm的位置。根據(jù)電機(jī)近場噪聲48階噪聲曲線可知，在頻率為1 590 Hz處的噪聲較小，與整車狀態(tài)噪聲不對(duì)應(yīng)，整車路徑對(duì)該頻率噪聲存在放大的影響。

2.2 電機(jī)影響參數(shù)分析

2.2.1電機(jī)結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)為永磁同步電機(jī)，定子齒槽數(shù)為48，轉(zhuǎn)子極數(shù)2為8。電機(jī)48階噪聲為電機(jī)的基本齒槽轉(zhuǎn)矩階次和電磁6階徑向力諧波激勵(lì)。如圖5所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子采用8段式分段V字型斜極，即轉(zhuǎn)子等分為8段，每段轉(zhuǎn)子由硅鋼片和嵌在其中的8個(gè)磁極組成，其中每個(gè)磁極由兩塊磁塊組成。8段轉(zhuǎn)子鐵芯軸向疊在一起，使其磁極中心軸向線錯(cuò)開成如圖5所示的V字排列，總斜極錯(cuò)開角度為5.625°，相連段轉(zhuǎn)子磁極錯(cuò)開1.875°。8段轉(zhuǎn)子鐵芯疊加后的總軸向長度為轉(zhuǎn)子疊壓厚度。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

分段斜極已從設(shè)計(jì)上將電機(jī)理論電磁激勵(lì)最小化。下文將研究磁塊磁通量、轉(zhuǎn)子疊壓厚度、轉(zhuǎn)子生產(chǎn)工藝等制造參數(shù)對(duì)電機(jī)嘯叫噪聲影響。

2.2.2轉(zhuǎn)子磁塊磁通量公差影響

每段轉(zhuǎn)子鐵芯存在16塊磁塊，整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子總共有128塊磁塊，轉(zhuǎn)子各磁塊磁通量制造差異影響整個(gè)電機(jī)磁場的均勻性。

對(duì)磁塊磁通量進(jìn)行檢測，分別按照設(shè)計(jì)名義磁通量的1%和5%公差挑選磁塊，并制作轉(zhuǎn)子疊壓厚度相近電機(jī)各3臺(tái)，在如圖4所示的電機(jī)臺(tái)架上測試噪聲，得到如表1所示的臺(tái)架上不同磁通量公差電機(jī)的48階噪聲峰值，1%磁通量誤差電機(jī)噪聲顯著比5%磁通量誤差電機(jī)噪聲小。

表1 不同磁通量公差電機(jī)的48階噪聲峰值

電機(jī)噪聲峰值/dB(A)磁通公差/% 1#801 2#811 3#801 4#825 5#845 6#855

2.2.3轉(zhuǎn)子疊壓厚度影響

電機(jī)每段轉(zhuǎn)子鐵芯的硅鋼片中有開槽，磁塊嵌入硅鋼片槽中后通過膠水固定。制造過程分段轉(zhuǎn)子疊加后，段與段之間存在間隙影響磁場均一性，用轉(zhuǎn)子疊加厚度評(píng)估間隙大小。

按相同的1%磁通量誤差控制制作1批電機(jī)，對(duì)轉(zhuǎn)子等效長度進(jìn)行測量并記錄，挑選不同等效長度的電機(jī)在如圖4所示的電機(jī)臺(tái)架上測試噪聲，得到如表2所示的不同轉(zhuǎn)子等效長度電機(jī)的48階噪聲峰值，電機(jī)噪聲隨轉(zhuǎn)子有效長度增加顯著增大。

表2 不同轉(zhuǎn)子等效長度電機(jī)的48階噪聲峰值

電機(jī)噪聲峰值/dB(A)轉(zhuǎn)子疊壓厚度/mm 1#78201.7 2#79202.4 3#81203.1 4#76201.3 5#83203.6 6#88204.6

2.2.4轉(zhuǎn)子生產(chǎn)工藝分析

受制造精度限制，批量生產(chǎn)的磁塊磁通量公差只能控制在5%以內(nèi)。為將單臺(tái)電機(jī)磁塊磁通量公差控制在1%以內(nèi)，將磁塊磁通量進(jìn)行檢測，并按照磁通量范圍分A、B、C、D、E、F共5檔，并分別標(biāo)記放置。電機(jī)制造裝配過程中，同一電機(jī)只采用一個(gè)檔的磁塊。

每段轉(zhuǎn)子鐵芯厚度公差在25～25.15 mm，理論轉(zhuǎn)子鐵芯厚度在200～201.2 mm。如圖6所示，實(shí)際疊壓過程，分段轉(zhuǎn)子間存在間隙，實(shí)際轉(zhuǎn)子鐵芯厚度比理論厚度大，其大小受工藝影響。

圖6 實(shí)際轉(zhuǎn)子鐵芯厚度示意圖

原始轉(zhuǎn)子生產(chǎn)工藝依次為：配膠水點(diǎn)膠－入磁塊－單段鐵芯單獨(dú)固化－轉(zhuǎn)子疊裝壓緊－鎖止動(dòng)螺母。該工藝單段轉(zhuǎn)子固化后表面殘留膠水將影響轉(zhuǎn)子端面平整度，進(jìn)而影響實(shí)際轉(zhuǎn)子厚度。改進(jìn)后轉(zhuǎn)子生產(chǎn)工藝為磁塊挑選分檔－配膠水點(diǎn)膠－入磁塊－轉(zhuǎn)子疊裝－鎖止動(dòng)螺母－整個(gè)轉(zhuǎn)子烘烤固化。對(duì)理論厚度相同的轉(zhuǎn)子鐵芯，采用原生產(chǎn)工藝和改進(jìn)工藝分別生產(chǎn)，并測試實(shí)際轉(zhuǎn)子鐵芯厚度。如表3所示，改進(jìn)工藝生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子鐵芯厚度比原工藝生產(chǎn)的小。

表3 不同工藝制造的轉(zhuǎn)子鐵芯厚度

轉(zhuǎn)子號(hào)轉(zhuǎn)子鐵芯厚度/mm 理論改進(jìn)工藝原工藝 1#200.6201.6202.4 2#200.9201.7203.1 3#200.7201.3203.6 4#200.5201.4204.6

2.3 傳遞路徑分析

采用有限元法分析傳動(dòng)軸模態(tài)，在問題頻率1 500～2 300 Hz內(nèi)，總共有如表4所示的6個(gè)模態(tài)。

表4 傳動(dòng)軸模態(tài)頻率

模態(tài)振型頻率/Hz模態(tài)振型頻率/Hz 前段軸4階呼吸1 611前段軸5階呼吸1 975 后段軸3階呼吸1 929后段軸3階彎曲2 123 前段軸4階彎曲1 944前段軸5階彎曲2 163

圖7 電機(jī)輸出軸側(cè)端蓋徑向呼吸模態(tài)

采用敲擊試驗(yàn)?zāi)B(tài)方法，測試電機(jī)輸出軸側(cè)端蓋模態(tài)。如圖7所示，電機(jī)輸出軸側(cè)端蓋模態(tài)頻率為1 595 Hz，振型為端蓋沿徑向呼吸。電機(jī)端蓋徑向呼吸模態(tài)1 595 Hz和前段軸4階呼吸模態(tài)1 611 Hz相互耦合，對(duì)電機(jī)噪聲放大，導(dǎo)致電機(jī)嘯叫噪聲在頻率1 590 Hz出現(xiàn)峰值。

3 優(yōu)化方案驗(yàn)證

3.1 傳遞路徑優(yōu)化

圖8為電機(jī)嘯叫傳遞路徑優(yōu)化措施示意圖，包括端蓋優(yōu)化及傳動(dòng)軸軸管內(nèi)增加3層吸音紙。將電機(jī)輸出側(cè)端蓋肋板寬度由10 mm改為15 mm，深度由2 mm改為4 mm，蓋板徑向呼吸模態(tài)頻率由1 595 Hz提升到1 691 Hz，避開前段軸4階呼吸模態(tài)1 611 Hz。在問題頻率段傳動(dòng)軸模態(tài)較多，避頻較困難，故通過傳動(dòng)軸內(nèi)加3層吸音紙，衰減傳動(dòng)軸向外輻射噪聲。如圖9(a)所示，端蓋優(yōu)化及軸管內(nèi)加吸音紙后，車內(nèi)48階噪聲在1 590 Hz頻率降低4 dB(A)，在1 800～2 200 Hz頻率范圍整體降低2 dB(A)。

圖8 電機(jī)嘯叫傳遞路徑優(yōu)化措施示意圖

3.2 電機(jī)工藝優(yōu)化

將原始和改進(jìn)后轉(zhuǎn)子生產(chǎn)工藝制造的電機(jī)安裝到同一臺(tái)車上，分別測試大油門加速至60～100 km/h時(shí)車內(nèi)噪聲。如圖9(b)所示，相比于原始工藝電機(jī)，改進(jìn)工藝電機(jī)的車內(nèi)48階噪聲優(yōu)化4～8 dB(A)。

圖9 車內(nèi)電機(jī)48階噪聲優(yōu)化效果圖

4 總結(jié)

針對(duì)某電動(dòng)皮卡車加速至60～100 km/h時(shí)車內(nèi)高頻嘯叫問題，綜合分析整車狀態(tài)電機(jī)近場噪聲、臺(tái)架上電機(jī)近場噪聲階次特征及峰值頻率，確定問題激勵(lì)源為電機(jī)電磁激勵(lì)，同時(shí)路徑上在特定頻率存在放大的影響。激勵(lì)源上，深入分析電機(jī)結(jié)構(gòu)及制造過程，采用臺(tái)架試驗(yàn)法研究了制造過程參數(shù)磁塊磁通量公差、轉(zhuǎn)子疊壓厚度、轉(zhuǎn)子生產(chǎn)工藝對(duì)48階電機(jī)嘯叫的影響，通過改進(jìn)轉(zhuǎn)子生產(chǎn)工藝，車內(nèi)嘯叫噪聲優(yōu)化4～8 dB(A)。傳遞路徑上，分析了電機(jī)端蓋模態(tài)和傳動(dòng)軸模態(tài)頻率，通過提升電機(jī)端蓋模態(tài)和軸管內(nèi)加吸音紙，車內(nèi)48階嘯叫噪聲優(yōu)化2～4 dB(A)。最終有效解決了電動(dòng)皮卡電機(jī)嘯叫問題。該問題的調(diào)查過程、分析思路及優(yōu)化方案可為今后的項(xiàng)目開發(fā)及噪音優(yōu)化提供一定的參考借鑒。

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Analysis and Optimization of Motor Whine in an Electric Pickup Truck

LUO Yichao1,2, ZHONG Chenping1,2, CHEN Qingshuang1,2, LI Shaojie1,2, MIU Mingxue1,2

( 1.Product Development Center, Jiangling Motors Company Limited, Nanchang 330001, China; 2.Key Laboratory of Automobile Noise and Vibration in Jiangxi Province, Nanchang 330001, China )

When accelerating to 60～100 km/h, a high-frequency whine problem occur in an electric pickup truck. For motor excitation source, the structure and manufacturing process are deeply analyzed in this paper, and the influence of magnetic block flux tolerance, rotor thickness and rotor manufacturing technology on motor whine is studied. For the vehicle transmission path,the influence on motor whine of drive shaft mode and motor end cover mode is analyzed by finite element method and experimental modal method. Finally, by improving frequence of motor end cover mode, adding sound-absorbing paper to drive shaft tube and improving the manufacturing process of rotor, the 48th order motor noise in vehicle is optimized by 6～10dB(A), which effectively solves the motor whine problem of the electric pickup truck.

Electric pickup truck;Permanent magnet synchronous motor; Motor whine; Drive shaft mode; Rotor manufacturing technology

TB533

A

1671-7988(2023)20-05-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.002

羅軼超（1989－），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閯?dòng)力傳動(dòng)系NVH，E-mail:yluo17@jmc.com.cn。

南昌市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（洪科字〔2023〕137號(hào)）。