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車用永磁同步電機NVH 性能的優(yōu)化

2020-04-30 22:47:57·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
由于永磁同步電機（后文簡稱為電機）具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、功率因數(shù)高、起動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，目前已在電動汽車行業(yè)獲得最廣泛地應(yīng)用。故本文著重對永磁同步
由于永磁同步電機（后文簡稱為“電機”）具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、功率因數(shù)高、起動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，目前已在電動汽車行業(yè)獲得最廣泛地應(yīng)用。故本文著重對永磁同步電機的NVH 性能優(yōu)化進行分析。
 
1 電機噪聲的分類
由于電動汽車沒有了發(fā)動機的掩蔽效應(yīng)，電驅(qū)動（驅(qū)動電機+減速器）系統(tǒng)噪聲成為主要噪聲源，其中驅(qū)動電機的高頻特性使得人們對聲品質(zhì)的關(guān)注度大幅上升。且隨著驅(qū)動電機朝著寬調(diào)速區(qū)間、更高轉(zhuǎn)速、輕量化等方向的發(fā)展，給電機的NVH 性能開發(fā)帶來了更多的挑戰(zhàn)。
電機噪聲主要分為三大類，即：電磁噪聲、機械噪聲、空氣動力噪聲。電磁噪聲主要是由定、轉(zhuǎn)子諧波磁場相互作用而產(chǎn)生隨時間和空間變化的電磁力諧波，該電磁力諧波作用到定子殼體上，當(dāng)電磁力諧波頻率與定子總成的固有頻率相同或接近時，就會產(chǎn)生共振并輻射噪聲。機械噪聲主要是由于電機部件摩擦（如軸承）、幾何形狀不規(guī)則（如轉(zhuǎn)子不平衡）等產(chǎn)生的噪聲，機械噪聲一般隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載電流的增加而變大?？諝鈩恿υ肼暿菤怏w在電機散熱系統(tǒng)中產(chǎn)生的渦流噪聲和笛鳴噪聲。其中，電磁噪聲對電機NVH 性能的影響最大，在設(shè)計時應(yīng)給予慎重考慮[1-2]。
2 電磁噪聲的性能優(yōu)化
1）適當(dāng)增大氣隙長度。若將氣隙長度由δ1 增加至δ2，則以分貝表示的聲功率級之差參考如下公式：Lω1-Lω2=40lg（P1/P2）=40lg（δ1/δ2）。如圖1 所示，某款電機將氣隙由0.6 mm 增加至0.8 mm 后，60 階噪聲減小10 dB 以上。要注意的是：隨著氣隙長度的增加，在噪聲降低的同時，電機最大扭矩及效率也會有所降低，故要合理增大氣隙長度以更好地平衡電機性能與噪聲。
 
圖1 某電機氣隙加大前后噪聲對比
 
圖2 優(yōu)化前后諧響應(yīng)振動（mm）及噪聲（dB）對比
2）合理設(shè)計轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。合理地設(shè)計轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠降低電磁場中的諧波成分，以減小徑向電磁力諧波及轉(zhuǎn)矩脈動。如圖2 所示，某電機定子方案不變，將轉(zhuǎn)子由直極改為斜極，同時對轉(zhuǎn)子沖片及永磁體的形狀進行優(yōu)化，優(yōu)化后電機的諧響應(yīng)振動及噪聲值均有明顯改善。
3）調(diào)整定子總成的固有頻率。電機的結(jié)構(gòu)模態(tài)是電機NVH 的主要因素，對其進行仿真計算可確定電機的結(jié)構(gòu)模態(tài)，然后對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化可避開主要階次頻率的激勵源。如圖3 所示，對某電機、減速器二合一總成的電機殼體進行加強,加強后整體質(zhì)量增加約0.9 kg，60 階固有頻率增加58 Hz，同時最大振幅有所減小。分別將采用兩種殼體的電機總成搭載到同一車型上進行測試，測試結(jié)果如圖4 所示，殼體加強后的二代機相較于原來噪聲最大點降低約8 dB。
 
圖3 某電機殼體更改前后模態(tài)對比
 
圖4 某電機殼體更改前后噪聲對比
 
3 機械噪聲的優(yōu)化措施
 
3.1 軸承噪聲的產(chǎn)生與優(yōu)化
一方面，電機轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)軸上的滾動軸承與機殼裝配在一起，軸承作為中間連接支撐的零件，必將承受定轉(zhuǎn)子及機殼上傳遞過來的激勵，若這個激勵與軸承頻率相近就會產(chǎn)生振動噪聲。另一方面，由于軸承本身的滾珠及內(nèi)、外圈之間存有間隙，滾珠不夠圓潤或內(nèi)部混有雜物，當(dāng)電機運行時，軸承隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，軸承滾珠、內(nèi)外圈以及轉(zhuǎn)軸、軸承室之間相互碰撞，導(dǎo)致在高轉(zhuǎn)速運行時會產(chǎn)生很大的軸承噪聲。此外，軸承噪聲還與潤滑狀態(tài)及溫度相關(guān)。
降低電機軸承噪聲主要有以下途徑：采用電機專用的耐高溫、低噪聲軸承；為避免軸承內(nèi)部混入水汽、油漬或其他異物，應(yīng)采用全密封軸承；合理設(shè)計軸承外圈與軸承室、軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸的配合尺寸。
 
3.2 轉(zhuǎn)子不平衡噪聲
轉(zhuǎn)子動平衡不好是產(chǎn)生機械噪聲最常見的原因。一般來說，當(dāng)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量均勻分布時，軸承僅承受轉(zhuǎn)子本身的質(zhì)量，此時電機運行會非常平穩(wěn)。而實際上轉(zhuǎn)子質(zhì)量是不可能完全均勻分布的，導(dǎo)致電機運行時轉(zhuǎn)子上會產(chǎn)生一個離心力，這個離心力作用到軸承上就會引起噪聲，其頻率和電機旋轉(zhuǎn)頻率相同，屬于低頻噪聲。
 
目前，為了控制轉(zhuǎn)子不平衡引起的噪聲，一般要求轉(zhuǎn)子動平衡等級大于G2.5。電機廠在轉(zhuǎn)子下線時必須進行動平衡檢驗，根據(jù)檢驗結(jié)果在轉(zhuǎn)子兩側(cè)的平衡板上打孔，盡可能地減小動不平衡量。
 
4 空氣動力噪聲的優(yōu)化措施
由于電動汽車上使用的電機大多數(shù)為水冷或自然冷卻，故空氣動力噪聲主要是跟電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子表面粗糙度及凸起的零部件形狀有關(guān)。當(dāng)電機運行時，轉(zhuǎn)子引起空氣流動遇到凸起的障礙物會產(chǎn)生一種鳴笛噪聲，稱作“口哨效應(yīng)”。如果電機采用強制風(fēng)冷的冷卻方式，轉(zhuǎn)子和冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時會引起空氣湍流在轉(zhuǎn)子表面交替出現(xiàn)渦流而產(chǎn)生渦流噪聲。
對于空氣動力噪聲的改善，一般應(yīng)合理設(shè)計電機結(jié)構(gòu)，在空氣流通路徑上消除凸起的零部件；同時，保證定、轉(zhuǎn)子表面具有較好的粗糙度等級。
 
 
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