摘要：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車相比結(jié)構(gòu)差異較大。傳動(dòng)系統(tǒng)及運(yùn)行模式作了改變，致使傳動(dòng)系統(tǒng)在不同模式下表現(xiàn)出不同的NVH問題。以某開發(fā)過程中的混合動(dòng)力轎車動(dòng)力總成為研究對(duì)象，針對(duì)其開發(fā)過程中出現(xiàn)的電機(jī)高頻噪聲過大問題，采取正向設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化，提升了該電機(jī)的NVH性能，其聲品質(zhì)有大幅提高。研究內(nèi)容對(duì)工程實(shí)際具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車；NVH；電機(jī)

0 引言混合動(dòng)力電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車相比結(jié)構(gòu)差異較大．傳動(dòng)系統(tǒng)及其運(yùn)行模式作了改變。致使整車的振動(dòng)噪聲與傳統(tǒng)車相比具有新特點(diǎn)，傳動(dòng)系統(tǒng)在不同模式下表現(xiàn)出不同的NVH問題【I‘]，使得振動(dòng)噪聲的控制更為復(fù)雜。較低的背景噪聲使得原來傳統(tǒng)汽車中被掩蓋的噪聲凸顯出來，電機(jī)的高頻電磁噪聲會(huì)嚴(yán)重降低車內(nèi)噪聲的聲音品質(zhì)，同時(shí)降低乘坐舒適性。另外。電機(jī)的高扭矩和高轉(zhuǎn)速特性對(duì)齒輪系統(tǒng)的高頻嘯叫噪聲控制提出了新挑戰(zhàn)，電動(dòng)汽車動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲問題不單單是發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的結(jié)構(gòu)噪聲和燃燒噪聲問題．傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、齒輪系統(tǒng)之間耦合振動(dòng)更為復(fù)雜。目前針對(duì)電動(dòng)汽車NVH研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)應(yīng)該是正向設(shè)計(jì)而不是逆向設(shè)計(jì)。振動(dòng)噪聲問題應(yīng)該在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行杜絕和優(yōu)化，而不是出廠和售后問題。文中以某開發(fā)過程中的混合動(dòng)力轎車動(dòng)力總成為研究對(duì)象．對(duì)其開發(fā)過程中電機(jī)高頻噪聲過大問題進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，采取優(yōu)化措施。提升了該電機(jī)的NVH性能。其聲品質(zhì)有大幅提高，對(duì)工程實(shí)際有指導(dǎo)意義。

1 問題描述及NVH測試

該車型的動(dòng)力傳動(dòng)系由發(fā)動(dòng)機(jī)、行星齒輪系統(tǒng)、主電機(jī)、電池組、后驅(qū)電機(jī)組成。樣車在試車階段純電動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速6250r／min時(shí)，駕駛室存在高頻電磁噪聲，車內(nèi)噪聲主觀評(píng)價(jià)較差，聲品質(zhì)較差；另外起步階段電機(jī)的高頻電磁噪聲同樣較大。該電機(jī)為8極48槽(極對(duì)數(shù)p=4)同步電機(jī)，該混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系簡圖如圖1所示。

圖2為電機(jī)振動(dòng)噪聲測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)．在電機(jī)的右側(cè)距離外殼1m處布置傳聲器，在殼體中間位置安裝三向加速度傳感器，利用LMSTEST．LAB振動(dòng)噪聲測試系統(tǒng)。主要測試在全負(fù)荷300N·m時(shí)按照500r／(min·S)的升速速率，采集電機(jī)振動(dòng)噪聲隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

由圖3—5可知：前驅(qū)電機(jī)的24階和48階為主要噪聲源。其中48階的噪聲貢獻(xiàn)最大，特別是在6250r／min時(shí)達(dá)到峰值。由于頻率達(dá)到5000Hz，產(chǎn)生“刺耳”的高頻電磁噪聲。滿載300N·m時(shí)48階的噪聲水平與總體OverallLevel的噪聲水平持平。達(dá)到100dB(A)，作為主要噪聲源，要降低電機(jī)的整體噪聲必須降低48階的噪聲貢獻(xiàn)量。

為了進(jìn)一步了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)固有特性。對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行了自由模態(tài)測試，結(jié)果見圖6。

前9階模態(tài)頻率是：600、849、l550、l833、2867、3291、3148、4686、5148Hz。48階在6250r／min時(shí)激勵(lì)頻率與第9階模態(tài)頻率接近。定子在徑向力波的作用下處于共振狀態(tài)。2 同步電機(jī)噪聲的計(jì)算及降噪措施同步電機(jī)的噪聲具有以下特點(diǎn)：(1)定子和轉(zhuǎn)子合成磁場基波產(chǎn)生的振動(dòng)具有電網(wǎng)2倍的頻率，振動(dòng)的幅度正比于氣隙磁密的平方：(2)由于任何一對(duì)定子磁勢(shì)建立的磁密為曰．，的旋轉(zhuǎn)波和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)建立的磁密為B。的旋轉(zhuǎn)波相互作用會(huì)產(chǎn)生較高頻率的振動(dòng)，它們當(dāng)中最強(qiáng)的是齒諧波：(3)在考慮相互作用的磁場B。口。時(shí)，必須注意只是產(chǎn)生最大力波的磁場及振動(dòng)力波次數(shù)r最小的諧波。2．1 電機(jī)噪聲計(jì)算力波次數(shù)r計(jì)算如下m“：子磁場諧波”為：

轉(zhuǎn)子諧波u為：

力波數(shù)r為：

其中：P為電機(jī)極對(duì)數(shù)；q1、q2：分別為每極每相槽數(shù)。r=u+v時(shí)，諧波頻率f：

r=u一v”時(shí)，諧波頻率f，：

式中：fN是轉(zhuǎn)速為IV時(shí)電磁旋轉(zhuǎn)頻率；f0為電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)頻。定子一階齒諧波一44時(shí)，查表1得q2=5，所以諧波頻率：

定子一階齒諧波52時(shí)，查表1得q2=6，則諧波頻率:

由式(7)和(8)可知：定子一階齒諧波一44、52對(duì)應(yīng)主要振動(dòng)階次剛好為48階。一階齒諧波引起的48階振動(dòng)是最強(qiáng)的．其力波數(shù)r=0。當(dāng)轉(zhuǎn)速為6250r/min時(shí)。定子和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)波相互作用，產(chǎn)生的激振頻率為：

由于定子和轉(zhuǎn)子之間力波周期性振動(dòng)．當(dāng)該激勵(lì)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子固有頻率重合時(shí)會(huì)激發(fā)更大的噪聲。要降低48階的噪聲輻射，從2個(gè)方面考慮：(1)降低激振力；(2)改變固有頻率。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍較廣，通過給定子加筋板、優(yōu)化模態(tài)可以使固有頻率偏移，但是在固有頻率偏移幅度不大的情況下。無法從根本上降低噪聲，因此作者考慮降低激振力，也就是轉(zhuǎn)子和定子之間相互徑向作用力。轉(zhuǎn)子定子徑向力計(jì)算如下：定子轉(zhuǎn)子諧波相互作用產(chǎn)生力波振幅P：

比徑向力P0：

定子機(jī)械阻抗Zc：

已知定子的等效質(zhì)量m。，定子內(nèi)圓半徑風(fēng)，定子軛平均半徑尺。，立波數(shù)r=0時(shí)，等效柔度λc。：

其中：h為定子軛高度；R。為定子軛平均半徑；E為彈性模量。定子鐵心表面的振動(dòng)速度口：

由式(13)可知：在機(jī)械阻抗不變的情況，降低定子轉(zhuǎn)子諧波相互作用產(chǎn)生的力波振幅P。便可降低定子殼體表面振動(dòng)速度。從而達(dá)到降噪的目的。2．2 電機(jī)噪聲的抑制措施及效果該電機(jī)轉(zhuǎn)子有8極，在轉(zhuǎn)子每極增加3個(gè)小槽。增加小槽改善了磁通。通過CAE仿真得出的定子和轉(zhuǎn)子相互作用徑向力幅值對(duì)比(48階，在6250r／rain時(shí))見圖7。

對(duì)于8極48槽3相電機(jī)來說，只需計(jì)算第1槽和第2槽2個(gè)槽的轉(zhuǎn)子和定子之間的徑向力．其他46齒與2齒有共同規(guī)律。計(jì)算結(jié)果見圖8和圖9。

從圖8和圖9可見徑向力明顯減小了。通過噪聲測試發(fā)現(xiàn)表面振速幅值降低約37％．通過測試其噪聲水平也大幅降低。雖然激振頻率還是5000Hz。但是由于48階的徑向力和總的徑向力大幅度下降，振動(dòng)能量降低了，定子殼體表面振動(dòng)輻射的聲壓級(jí)也大幅下降，最終降低了噪聲輻射水平，達(dá)到了改善聲品質(zhì)的目的。3 結(jié)論文中通過試驗(yàn)和仿真相結(jié)合對(duì)開發(fā)過程中電機(jī)高頻噪聲過大問題進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，降低了轉(zhuǎn)子定子徑向力激振力。最終提升了該電機(jī)的NVH性能，其聲品質(zhì)有大幅提高，對(duì)工程實(shí)際有一定指導(dǎo)意義.

作者：鐘文彬，黃森，張軍輝

作者單位：(菲亞特克萊斯勒亞動(dòng)力科技研發(fā)(上海)有限公司，上海201800)

來源：汽車零部件