電動汽車內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)子扭振NVH 問題優(yōu)化

摘要：采用內(nèi)置式永磁同步電機對電動汽車低頻振動噪聲進行優(yōu)化。通過理論與仿真分析，確定了電磁激振力頻率與轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)振型頻率接近引發(fā)的轉(zhuǎn)子扭振，是導(dǎo)致電機在轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 下運行時出現(xiàn)噪聲-振動-聲振粗糙度（NVH）問題的主要原因。對此，采用了轉(zhuǎn)子斜極優(yōu)化、轉(zhuǎn)子軸徑尺寸優(yōu)化和轉(zhuǎn)子整體注塑等3 種不同方法進行改進。通過仿真與實測驗證，上述3 種方法均能有效解決電機在低頻下的振動噪聲，且與原始設(shè)計方案相比，電機運行在轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 下的NVH 幅值降低了8 dB 以上。

關(guān)鍵詞：噪聲-振動-聲振粗糙度（NVH）；彎扭模態(tài)；斜極優(yōu)化；轉(zhuǎn)子軸徑；整體注塑

0 前言

隨著電動汽車市場的快速發(fā)展，電驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性與舒適性已成為衡量電動汽車性能的重要指標(biāo)。電機作為電驅(qū)動系統(tǒng)的核心動力元件，其噪聲-振動-聲振粗糙度（NVH）特性對電動汽車的駕乘體驗有著顯著影響［1-2］。目前，轉(zhuǎn)子分段斜極技術(shù)是電動汽車電機設(shè)計中用來抑制電驅(qū)動系統(tǒng)NVH問題的一種有效方法。文獻［3］研究了轉(zhuǎn)子采用分段斜極及表面開2 組對稱輔助槽結(jié)構(gòu)的方法能夠有效降低電機低階齒諧波，并避免與定子鐵芯固有頻率的共振。文獻［4］研究了轉(zhuǎn)子分段斜極對電機徑向電磁力波的抑制原理，并通過仿真計算與樣機實測驗證了理論分析的正確性。文獻［5］研究了電磁激振力對定子鐵芯產(chǎn)生形變的機理，進而解釋了轉(zhuǎn)子分段斜極減振降噪的有效性，并通過三維仿真及振動試驗驗證了定子鐵芯形變是引發(fā)電機振動噪聲的主要原因。文獻［6］研究了一字形和V 形斜極轉(zhuǎn)子對電機齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，雖然在斜極角度偏小的情況下V 形斜極效果較差，但可以消除電機的軸向不平衡磁拉力。文獻［7］研究了轉(zhuǎn)子分段斜極段數(shù)及斜極角度對電機性能和振動噪聲的影響，通過理論分析，得出選擇合適的斜極角度和轉(zhuǎn)子分段數(shù)既能兼顧電磁轉(zhuǎn)矩的大小又能降低電機噪聲。綜上所述，雖然不少學(xué)者對分段斜極轉(zhuǎn)子在降低電機徑向電磁力上進行過深入研究，但卻未考慮不同轉(zhuǎn)子分段斜極方案對轉(zhuǎn)子彎扭模態(tài)的影響因素，例如，當(dāng)轉(zhuǎn)子采用斜極方案后，原來可以視為整體的轉(zhuǎn)子，現(xiàn)在被分成了幾段錯開一定角度的獨立部分，這會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子增加新的模態(tài)（轉(zhuǎn)子彎扭模態(tài)），轉(zhuǎn)子彎扭模態(tài)極易造成轉(zhuǎn)子扭振現(xiàn)象，同樣會造成電機的低頻噪聲。

本文以某品牌純電動汽車在車速為50 km/h的低速行駛時產(chǎn)生的嘯叫噪聲為研究對象，利用有限元方法對電機振動噪聲，以及轉(zhuǎn)子模態(tài)進行了仿真計算，通過對比實測轉(zhuǎn)子的模態(tài)測試結(jié)果，鎖定車輛在低速行駛過程中產(chǎn)生嘯叫噪聲的主要原因，并結(jié)合理論分析采用3 種不同方法對電機的振動噪聲進行了優(yōu)化，最后通過臺架的半消聲實驗室測試進行了試驗驗證。結(jié)果表明：通過轉(zhuǎn)子斜極優(yōu)化、轉(zhuǎn)子軸徑尺寸優(yōu)化，以及轉(zhuǎn)子整體注塑等方法，能夠有效抑制轉(zhuǎn)子扭振造成的低頻噪聲。

1 NVH 原因分析

在某品牌純電動汽車路試過程中，客戶抱怨當(dāng)車速達到50 km/h 時，電機會出現(xiàn)明顯的嘯叫噪聲，且車速在低于或超過50 km/h 時，嘯叫噪聲消失。為明確噪聲問題點，對電機總成進行了半消聲實驗室測試，測試結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可以看出，當(dāng)頻率為2 900 Hz 時有明顯的高亮共振帶出現(xiàn)，且頻率階次為48。如圖2 所示，提取48 階次切片圖，可以明顯看到對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速3 602 r/min 時，電機噪聲出現(xiàn)明顯尖峰，其幅值為76 dB。因該嘯叫聲出現(xiàn)時車速較低，風(fēng)噪較小，所以問題較為突出，進而引起客戶極大抱怨。

為排查電機的NVH 問題起因，對電機的定轉(zhuǎn)子進行分析，發(fā)現(xiàn)電機在轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 處的NVH 性能是跟隨轉(zhuǎn)子變化而發(fā)生改變的，這說明該NVH 問題主要由轉(zhuǎn)子勵磁引起［2］。為此，對轉(zhuǎn)子的模態(tài)進行了仿真和實測對比，如圖3 和圖4所示。

通過對轉(zhuǎn)子模態(tài)仿真與實測進行對比分析，其結(jié)果如表1 所示。由表1 中數(shù)據(jù)可知，模態(tài)仿真與實測結(jié)果誤差較小，均在可接受范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)實測頻率與電機在轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 時出現(xiàn)的48 階次振動頻率（2 882 Hz）接近。

為進一步快速驗證結(jié)果的正確性，采用轉(zhuǎn)軸和齒輪軸系模型進行仿真，不帶總成殼體，并在轉(zhuǎn)軸上施加轉(zhuǎn)子48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵，其結(jié)果如圖5 和圖6 所示。由圖6 可見，在頻率2 900 Hz 時，即轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 附近，電機噪聲出現(xiàn)顯著峰值，仿真與實測結(jié)果較為吻合，說明轉(zhuǎn)子共振是引起本次NVH 問題的主要原因。

2 轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)優(yōu)化

原狀態(tài)下的8 段轉(zhuǎn)子鐵芯采用V 形對稱斜極，且每段轉(zhuǎn)子斜極角度均為1.875°，這種斜極方式可有效減小轉(zhuǎn)子軸向方向的不平衡磁拉力，其斜極方式如圖7 所示，電機的定轉(zhuǎn)子模型如圖8 所示。

利用軟件對電機定轉(zhuǎn)子進行二維有限元仿真，并對每段轉(zhuǎn)子的峰值轉(zhuǎn)矩進行一維傅里葉變換分解，由于8 段轉(zhuǎn)子采用V 形對稱斜極，本文只對前4 段轉(zhuǎn)子進行仿真，進而得到每段轉(zhuǎn)子在峰值轉(zhuǎn)矩工況下的48 階次諧波轉(zhuǎn)矩及相位角度。48 階次諧波轉(zhuǎn)矩結(jié)果如表2 所示。從轉(zhuǎn)軸的軸肩方向看，8段轉(zhuǎn)子鐵芯的48 階諧波轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)軸上的效果如圖9 所示。

經(jīng)過諧波轉(zhuǎn)矩計算，4 段轉(zhuǎn)子的48 階諧波轉(zhuǎn)矩相位并未完全抵消，合成轉(zhuǎn)矩的相位角為介于180°～270°之間的固定值。將48 階諧波轉(zhuǎn)矩作為激勵源施加到轉(zhuǎn)子軸系上，通過仿真計算分析轉(zhuǎn)子軸系的模態(tài)情況，仿真結(jié)果如圖10 所示。

通過對轉(zhuǎn)子軸系的模態(tài)分析可以看出，轉(zhuǎn)子鐵芯的48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵作用在轉(zhuǎn)子軸系上產(chǎn)生的振型呈V 形，與轉(zhuǎn)子軸系固有的二階彎扭模態(tài)振型相接近，且實測轉(zhuǎn)子的二階彎扭頻率2 900 Hz 與8 段轉(zhuǎn)子鐵芯產(chǎn)生的48 階諧波轉(zhuǎn)矩頻率2 882 Hz相接近，因此，8 段轉(zhuǎn)子鐵芯產(chǎn)生的48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵源的振型和頻率與轉(zhuǎn)子的二階彎扭模態(tài)的振型和頻率均相近，從而引起共振，這是導(dǎo)致電機在轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 時產(chǎn)生NVH 問題的主要原因［8］。

為避免轉(zhuǎn)子48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵源與轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)的頻率和振型相接近而發(fā)生共振，可通過優(yōu)化電磁激勵源，即調(diào)整轉(zhuǎn)子斜極角度，或提高轉(zhuǎn)子軸系整體剛性，即轉(zhuǎn)子軸加粗、轉(zhuǎn)子整體注塑等方法解決該問題。

2. 1 轉(zhuǎn)子斜極優(yōu)化

通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子斜極角度改變轉(zhuǎn)子48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵的相位角度差，以降低各段轉(zhuǎn)子因諧波轉(zhuǎn)矩激勵疊加產(chǎn)生的峰值，從而達到優(yōu)化電磁激勵源的目的［9］。未斜極轉(zhuǎn)子和斜極轉(zhuǎn)子的示意圖如圖11所示。通過轉(zhuǎn)子分段斜極優(yōu)化電磁轉(zhuǎn)矩諧波激勵源的原理如圖12 所示。

對電機轉(zhuǎn)子的斜極角度進行優(yōu)化，在不改變轉(zhuǎn)子鐵芯模具前提下，將轉(zhuǎn)子鐵芯疊壓的順序從原狀態(tài)的1—2—3—4—4—3—2—1 改成3—1—2—4—4—2—1—3，如圖13 所示。通過調(diào)整轉(zhuǎn)子鐵芯疊壓順序，使8 段轉(zhuǎn)子鐵芯產(chǎn)生的48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵源的振型發(fā)生變化，從V 形振型變?yōu)閃 形振型，進而與轉(zhuǎn)軸二階彎扭模態(tài)產(chǎn)生的振型相異，因此能夠消除因諧波轉(zhuǎn)矩激勵源共振引起的NVH 問題。

對優(yōu)化后的新斜極轉(zhuǎn)子采用上述相同的仿真方法，即先對每段轉(zhuǎn)子鐵芯進行48 階諧波轉(zhuǎn)矩仿真，再將48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵加載到轉(zhuǎn)子軸系上進行轉(zhuǎn)矩諧波響應(yīng)仿真分析。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，在2 000～3 000 Hz 附近，電機整體的聲功率水平有明顯的下降，噪聲幅值最大處降低約14%，如圖14 所示。

從理論分析的角度出發(fā)，采用3—1—2—4—4—2—1—3 的新斜極轉(zhuǎn)子主要是改變了8 段轉(zhuǎn)子鐵芯產(chǎn)生的48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵源振型的相位，進而降低了與轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)的共振。在轉(zhuǎn)速3 602 r/min 下，優(yōu)化后的新斜極轉(zhuǎn)子噪聲峰值減小約16 dB，降噪效果較為明顯，實測結(jié)果如圖15 所示。但是，改變激勵源振型的相位無法完全解決與轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)共振頻率相同的問題，因此電機在運行至轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 時其噪聲幅值可降低，但因共振頻率相同而導(dǎo)致的噪聲尖峰并未消失。

2. 2 轉(zhuǎn)子軸徑尺寸優(yōu)化

如上文所述，在轉(zhuǎn)子斜極優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子軸徑尺寸，進一步優(yōu)化轉(zhuǎn)子的NVH 問題。轉(zhuǎn)子軸徑的優(yōu)化可通過研究無約束梁的模態(tài)頻率來實現(xiàn)。描述無約束梁的各階模態(tài)頻率公式如下［10］：

通過以上公式可知，無約束梁的模態(tài)頻率與電機轉(zhuǎn)子長度成反比，與軸徑成正比，因此通過增加軸徑尺寸能夠有效提升轉(zhuǎn)軸的二階彎扭模態(tài)頻率，使8 段轉(zhuǎn)子鐵芯共同產(chǎn)生的48 階諧波轉(zhuǎn)矩的激勵頻率與其不同，進而避免因共振而帶來的NVH 問題。將電機轉(zhuǎn)子軸徑由48 mm 增加至60 mm 進行模態(tài)仿真。轉(zhuǎn)子模態(tài)仿真如圖16 所示，模態(tài)測試結(jié)果見表3。

由表3 可知，模態(tài)仿真與實測數(shù)據(jù)對比，誤差小于6.5%，且與理論分析結(jié)果一致，表明通過增加轉(zhuǎn)子軸徑可以提高轉(zhuǎn)軸的二階彎扭模態(tài)頻率。對轉(zhuǎn)子軸徑為60 mm 的轉(zhuǎn)子總成進行了半消聲實驗室測試，測試結(jié)果如圖17 所示。

在轉(zhuǎn)速3 602 r/min 附近，轉(zhuǎn)子軸徑為60 mm的電機振動噪聲峰值向后偏移，主要原因是軸徑加粗后轉(zhuǎn)軸的二階彎扭模態(tài)頻率提高，與轉(zhuǎn)子48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵源頻率不同頻，無法引起共振，噪聲波形尖峰向轉(zhuǎn)速高的區(qū)間后移且幅值減小約10 dB。

2. 3 轉(zhuǎn)子整體注塑

由于原狀態(tài)轉(zhuǎn)子由獨立的8 段轉(zhuǎn)子鐵芯物理堆疊而成，兩端使用鋁板進行壓緊來限制其軸向方向的移動。而段間轉(zhuǎn)子的結(jié)合強度較低，因此無法有效約束每段轉(zhuǎn)子鐵芯在圓周方向的轉(zhuǎn)動。這意味著整個轉(zhuǎn)子的彎扭剛度較低。通過轉(zhuǎn)子整體注塑的方式，將8 段轉(zhuǎn)子鐵芯形成整體結(jié)構(gòu)，以提升轉(zhuǎn)子的整體剛性，進而提高轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)頻率，降低共振發(fā)生的概率。將8 段轉(zhuǎn)子鐵芯采用耐高溫?zé)峁绦圆牧线M行注塑粘合，該注塑材料可在轉(zhuǎn)子段間增加約80 MPa 的剪切應(yīng)力，且可耐高溫260 ℃。經(jīng)過模態(tài)測試，一階彎扭實測試驗結(jié)果如圖18 所示，二階彎扭實測試驗結(jié)果如圖19 所示，實測彎扭模態(tài)結(jié)果見表4。

對整體注塑轉(zhuǎn)子進行裝機實測，并進行對比分析，測試結(jié)果如圖20 所示。由圖20 可以看出，由于整體注塑轉(zhuǎn)子的二階彎扭模態(tài)頻率提高，原處于轉(zhuǎn)速3 602 r/min 附近的振動噪聲波形尖峰后移至轉(zhuǎn)速4 200 r/min，且波形尖峰值下降約8 dB。

3 結(jié)語

本文研究了因電磁激振力頻率與轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)頻率接近引發(fā)轉(zhuǎn)子扭振的優(yōu)化過程。通過理論分析、仿真計算和臺架實測，驗證了3 種有效的解決方案，包括轉(zhuǎn)子斜極角度優(yōu)化、轉(zhuǎn)子軸徑尺寸優(yōu)化，以及轉(zhuǎn)子整體注塑。3 種方案均能不同程度降低電機在轉(zhuǎn)速3 602 r/min 附近產(chǎn)生的NVH 問題，采用轉(zhuǎn)子斜極角度優(yōu)化方案取得的結(jié)果最為明顯，可降低噪聲幅值約16 dB。根據(jù)電機優(yōu)化的實際情況，通過綜合采用3 種方案，可以有效改善電機的NVH 問題。

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