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電機(jī)振動(dòng)噪聲基礎(chǔ)

2022-02-22 23:26:58·  來源：中車浩夫爾動(dòng)力總成  
　
電機(jī)振動(dòng)噪聲基礎(chǔ)WCHP基礎(chǔ)技術(shù)科普系列在碳達(dá)峰、碳中和背景下，新能源汽車行業(yè)迎來新的發(fā)展機(jī)遇。電動(dòng)汽車較傳統(tǒng)的燃油車碳排放具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此也受到越來越
電機(jī)振動(dòng)噪聲基礎(chǔ)
WCHP基礎(chǔ)技術(shù)科普系列
在碳達(dá)峰、碳中和背景下，新能源汽車行業(yè)迎來新的發(fā)展機(jī)遇。電動(dòng)汽車較傳統(tǒng)的燃油車碳排放具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此也受到越來越多關(guān)注，同時(shí)也提出了更高要求。
電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成主要有電機(jī)、減速器、電控三大部件組成。相比于傳統(tǒng)的燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力總成中的電機(jī)、齒輪噪聲主要分布在高頻區(qū)域，尤其是電機(jī)噪聲處在人耳敏感的區(qū)域，嚴(yán)重影響乘客的駕駛體驗(yàn)。因此電機(jī)噪聲的控制也成為了動(dòng)力總成NVH控制中的重要課題。
本文將圍繞電機(jī)振動(dòng)噪聲做一些簡單介紹。
01、電機(jī)噪聲
EM noise
圖1 電動(dòng)汽車動(dòng)力總成示意圖
1.1 電機(jī)噪聲分類
電機(jī)振動(dòng)噪聲研究較為復(fù)雜，涉及到如電磁學(xué)，電控理論，機(jī)械振動(dòng)，物理聲學(xué)、心理聲學(xué)等多個(gè)學(xué)科。根據(jù)電機(jī)噪聲的來源，電機(jī)的噪聲主要有三種：
- 電磁噪聲：電磁噪聲由電磁力振動(dòng)引起。氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力引起定子振動(dòng)而輻射噪聲；
- 機(jī)械噪聲：轉(zhuǎn)子機(jī)械不平衡引起離心力所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)和噪聲，軸承振動(dòng)噪聲等；
- 空氣噪聲：主要是冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生，水冷和油冷電機(jī)無空氣噪聲。
圖2 電機(jī)噪聲分類
1.2 電機(jī)噪聲源
電機(jī)運(yùn)行時(shí)氣隙中存在基波磁場(chǎng)和一系列的諧波磁場(chǎng)，電機(jī)氣隙中磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生隨時(shí)間和空間變化的電磁力，使定子鐵心和機(jī)殼隨時(shí)間周期性變形。電磁噪聲主要是由于定子的振動(dòng)使周圍空氣脈動(dòng)而引起氣載噪聲。根據(jù)Maxwell應(yīng)力公式可知，電磁力與磁密的平方成正比。因此凡是能引起基波及諧波磁場(chǎng)的因素對(duì)電磁噪聲均有貢獻(xiàn)。從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度來看，氣隙磁密非正弦、轉(zhuǎn)子偏心（氣隙不均勻）、三相電流不對(duì)稱、PWM電流及磁場(chǎng)畸變等因素對(duì)氣隙電磁力均有影響。
圖3 電機(jī)噪聲源
1.3 振動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)
電磁振動(dòng)噪聲由電磁力引起，屬于機(jī)械振動(dòng)的范疇，只是由電磁力激發(fā)。傳統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)理論完全適用電磁振動(dòng)的分析。電機(jī)電磁噪聲與力波的幅值，空間階次、頻率和定子的振動(dòng)特性直接相關(guān)，從單自由度系統(tǒng)出發(fā)研究電機(jī)噪聲的影響因素，振動(dòng)系統(tǒng)由MCK組成，M（質(zhì)量），C（阻尼），K（剛度）。MCK均為理想部件，M(質(zhì)量)不考慮阻尼和剛度，C（阻尼）不考慮質(zhì)量剛度，K（剛度）剛度不考慮質(zhì)量和阻尼。
圖4 振動(dòng)系統(tǒng)基本部件
· 1.3.1 單自由度系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
振動(dòng)中將阻力稱為阻尼，例如摩擦阻尼、電磁阻尼、介質(zhì)阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼。盡管已經(jīng)提出了許多數(shù)學(xué)上描述阻尼的方法，但是實(shí)際系統(tǒng)中阻尼的物理本質(zhì)仍然極難確定。最常用的阻尼力學(xué)模型是粘性阻尼。
圖5 單自由度系統(tǒng)受迫振動(dòng)
公式1 單自由度系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（比例阻尼模型）
圖6 單自由度系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性
當(dāng)外界激振力的頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，振幅明顯增加，出現(xiàn)共振現(xiàn)象。
· 1.3.2 多自由度系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
連續(xù)系統(tǒng)由無窮多個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成，可以理解成有無窮個(gè)自由度。離散系統(tǒng)由若干個(gè)離散的質(zhì)點(diǎn)組成，一般質(zhì)量點(diǎn)的個(gè)數(shù)等于自由度數(shù)。
圖7 多自由度系統(tǒng)
公式2 多自由度系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（比例阻尼模型）
從多自由系統(tǒng)的位移公式可以看出共振需要兩個(gè)條件：
1.4 電機(jī)內(nèi)的電磁力
磁致伸縮振動(dòng)發(fā)生在與麥克斯韋振動(dòng)相同的頻率，因此不可能在振動(dòng)譜上區(qū)分它們。此外，很難量化麥克斯韋和磁致伸縮的貢獻(xiàn)。一般認(rèn)為磁致伸縮對(duì)低頻噪聲的貢獻(xiàn)有限，對(duì)低頻（<1500Hz）有影響。

表1 電機(jī)內(nèi)電磁力
圖8 齒尖電磁力示意圖

公式 3 電機(jī)氣隙磁場(chǎng)和氣隙電磁力
公式 4 電磁力數(shù)學(xué)形式
受到電機(jī)定子開槽影響，定子內(nèi)圓的電磁力不是連續(xù)分布。在電機(jī)電磁力分析時(shí)通常取氣隙電磁進(jìn)行研究，通過2D-FFT分析可以得到電磁力的時(shí)空特性。

圖9 電磁力2D-FFT分解
圖10 電磁力波力形
通過對(duì)電磁力理論和2D-FFT電磁力分析，可以發(fā)現(xiàn)電磁力的基本規(guī)律，空間階次、時(shí)間階次 、P電機(jī)極對(duì)數(shù)。電機(jī)的電磁振動(dòng)位移與空間階次4次方成反比，因此通常關(guān)注0階電磁力。
02、電機(jī)定子模態(tài)
EM Stator modal
中車某款定子產(chǎn)品
電機(jī)振動(dòng)噪聲研究依舊依循源-路徑-接受者的分析思路，前面介紹了電機(jī)內(nèi)的電磁力，下面對(duì)噪聲的路徑展開介紹，主要是結(jié)構(gòu)件-電機(jī)定子的模態(tài)。
模態(tài)是指系統(tǒng)固有的結(jié)構(gòu)特性，包含固有頻率、阻尼振型。通常借助力波的形狀和階次來定義對(duì)應(yīng)形狀的定子振動(dòng)模態(tài)和固有頻率的階次。
電機(jī)定子可以簡化成具有一定厚度的圓筒。定子的振型主要有兩組，徑向振型和軸向振型，這里忽略切向振型。
圖11 圓筒振型
對(duì)電機(jī)振動(dòng)和噪聲而言比較重要的是研究軸向0階（n=0），并以徑向振動(dòng)為主且階次較低的振型，尤其是徑向陣型m=0的徑向模態(tài)。
圖12 電機(jī)定子徑向模態(tài)
電機(jī)振動(dòng)分析中，阻尼對(duì)定子模態(tài)和固有頻率的影響很小，通常不考慮。但是阻尼決定了共振時(shí)的振幅。電機(jī)的阻尼特性較為復(fù)雜，通常依靠實(shí)驗(yàn)。
03、電機(jī)振動(dòng)計(jì)算
EM vibration calculation
電機(jī)運(yùn)行時(shí)，氣隙中交變的電磁力波作用于定子鐵心，使之周期性變形，即發(fā)生振動(dòng)。振動(dòng)的頻率就是徑向力波的頻率，此外電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定其固有頻率，當(dāng)電磁力的頻率接近或等于系統(tǒng)的固有頻率會(huì)發(fā)生明顯的共振現(xiàn)象，電磁噪聲明顯增加。在分析時(shí)將定子鐵心簡化成單環(huán)的形式，只考慮軛部變形，定子齒和繞組作為附加質(zhì)量。
從上式可以看出，非零階電磁力產(chǎn)生的位移與m的四次方成反比，因此通常關(guān)注2階次以下的電磁力，重點(diǎn)關(guān)注0階電磁力。
04、電機(jī)噪聲計(jì)算
EM noise calculation
電機(jī)由于受到電磁力的作用產(chǎn)生振動(dòng)，傳播到周圍空氣，引起空氣質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)產(chǎn)生聲波。當(dāng)聲音的頻率在20~20khz之間，被人耳感知，就是電磁噪聲。
相對(duì)聲強(qiáng)輻射系數(shù)是描述結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲傳播耦合的參數(shù)?？傊?，較大的振動(dòng)振幅產(chǎn)生更多的噪聲并不是絕對(duì)的，而是振動(dòng)與聲學(xué)系統(tǒng)之間的相互作用，取決于聲源形狀，尺寸，頻率，軸向和徑向模態(tài)。相對(duì)聲強(qiáng)輻射系數(shù)的計(jì)算較為復(fù)雜，對(duì)于無限次長圓柱體輻射系數(shù)如圖13：
圖 13 無限長圓柱體相對(duì)聲強(qiáng)輻射系數(shù)
從數(shù)學(xué)的角度分析影響電機(jī)噪聲的因素：
  • 聲功率與輻射面積成正比
  • 聲功率與相對(duì)聲強(qiáng)輻射系數(shù)成正比
  • 聲功率與振動(dòng)速度的平方成正比
  • 聲功率與阻尼負(fù)相關(guān)
  • 同頻率下與位移平方成正比
  • 同位移下與頻率平方成正比
  • 減小電機(jī)噪聲措施：
  • 減小輻射面積
  • 減小輻射系數(shù)
  • 增加阻尼
  • 減小電磁力
  • 增加質(zhì)量
  • 增大固有頻率
  • 改變固有頻率，避免共振
由于電磁力成分及電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，解析計(jì)算難以獲得滿意的計(jì)算精度。成熟商業(yè)化有限元軟件如ANSYS提供了無縫的電磁-結(jié)構(gòu)-聲場(chǎng)解決方案。
圖14 電機(jī)噪聲仿真流程
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