摘要：電動汽車NVH性能是整車最重要的性能指標之一，直接影響整車駕駛和乘坐感受。驅(qū)動電機是電動汽車的動力源，其NVH性能是整車NVH性能的重要影響因素。針對永磁同步電機分析其NVH性能影響因素，并提出設(shè)計優(yōu)化方案；同時提出在非消聲背景下驅(qū)動電機臺架測試方法，建立評價標準，并驗證其可行性。

關(guān)鍵詞：NVH永磁同步電機 影響因素優(yōu)化方案振動測試

引言當前電動車用驅(qū)動電機主流是永磁同步電機，主要原因為永磁同步電機效率較高，可靠性好。驅(qū)動電機是電動汽車動力輸出關(guān)鍵零部件，其NVH性能對整車駕駛舒適性影響較大，電機“嘯叫”將使駕駛員感受變差[1]。因此驅(qū)動電機NVH的測試與優(yōu)化顯得尤為重要。

1 電動汽車用永磁同步電機NVH影響因素分析

電動汽車用永磁同步電機振動噪聲來源主要分為機械激勵和電磁激勵兩部分。其中機械激勵包括軸承激振，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸動平衡不良、驅(qū)動電機與減速器花鍵匹配不良引起的激振，轉(zhuǎn)矩控制不穩(wěn)定引起轉(zhuǎn)矩波動的激振以及結(jié)構(gòu)共振；電磁激振主要是氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力波，電磁力波中的徑向分量會導(dǎo)致電機鐵芯發(fā)生周期變形產(chǎn)生振動，是電磁振動和噪聲的主要來源，切向分量會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸發(fā)生渦振引起轉(zhuǎn)矩波動發(fā)生軸系扭振。

1.1 軸承激振

電動汽車用永磁同步電機使用的軸承主要是滾動軸承，其品質(zhì)及安裝質(zhì)量的優(yōu)劣在電機運轉(zhuǎn)，尤其是高速運轉(zhuǎn)時在振動噪聲幅值表現(xiàn)好壞。軸承滾珠的圓度、直徑，內(nèi)外圈安裝的同軸度，滾珠及軌道表面的粗糙度，軸承的潤換以及預(yù)緊力等都會直接影響軸承的激振力。一般而言，軸承激振引起的振動噪聲頻譜很豐富、頻譜范圍很寬，且與轉(zhuǎn)速成正比。

1.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸動平衡不良

驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸由于材料不均、加工誤差以及安裝偏差會產(chǎn)生偏心質(zhì)量，當其在高速旋轉(zhuǎn)時，偏心質(zhì)量會產(chǎn)生偏心力矩，發(fā)生動不平衡，引起振動。動平衡不良引起的振動特征為振動頻率跟轉(zhuǎn)頻相等，振動大小隨轉(zhuǎn)速升高而增大，與負載無關(guān)。

1.3 驅(qū)動電機與減速器安裝配合不良

驅(qū)動電機轉(zhuǎn)軸與減速器輸入軸在安裝時軸心同軸度偏差大，驅(qū)動電機與驅(qū)動減速器時花鍵嚙合偏差，產(chǎn)生機械脈沖沖擊，其振動大小與兩軸軸心同軸度正相關(guān)，頻率為2倍轉(zhuǎn)頻。除安裝軸心同軸度外，花鍵配合間隙以及齒形本身的形位公差也會引起機械沖擊，其振動頻率與轉(zhuǎn)頻相同。驅(qū)動電機與減速器安裝配合不良產(chǎn)生的振動和噪聲在驅(qū)動電機單獨運行時會消失，這也是排查的直接重要依據(jù)之一。

1.4 轉(zhuǎn)矩波動

電動汽車用永磁同步電機主流控制方法是PWM（矢量脈寬調(diào)制），包括驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)以及交直軸電流PI調(diào)節(jié)。如果PI調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置不好，在驅(qū)動電機高轉(zhuǎn)速下弱磁控制會不穩(wěn)定，引起電流控制故障，導(dǎo)致輸出的轉(zhuǎn)矩波動，發(fā)生振動[2]。轉(zhuǎn)矩波動發(fā)生一般在驅(qū)動電機高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩，在整車上表現(xiàn)為高速超車時電機突然異響。

1.5 電磁噪聲

如前文所述，電磁噪聲主要是氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力波徑向分量使鐵芯發(fā)生周期變形產(chǎn)生振動，從而導(dǎo)致周圍空氣脈動引起氣載噪聲。電磁振動的特征頻率主要是2倍電源頻率及其整數(shù)倍為主。此外電磁振動還有一個顯著的特性是斷電立即消失，這是判斷振動來源的方法之一。

2 電動汽車用永磁同步電機NVH優(yōu)化方案

上文分析了電動汽車用永磁同步電機振動噪聲產(chǎn)生的原因以及不同原因產(chǎn)生的振動噪聲的特性分析，下文將針對以上因素從結(jié)構(gòu)設(shè)計和電磁設(shè)計兩方面提出NVH優(yōu)化方案。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

結(jié)構(gòu)振動和噪聲主要來源于動不平衡和軸承激勵。因此在驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸等旋轉(zhuǎn)件設(shè)計要避免結(jié)構(gòu)不對稱，安裝完轉(zhuǎn)軸附件旋轉(zhuǎn)變壓器后需要進行動平衡測試，以保證最高工作轉(zhuǎn)速下動不平衡量滿足要求；軸承及附件在選型時盡量選用小游隙軸承，并使用波紋、碟片彈簧等元件進行預(yù)緊，以調(diào)整軸承游隙；驅(qū)動電機與減速器配合部分，高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩電機花鍵建議選用斜齒，并修形，同時安裝時需要保證驅(qū)動電機轉(zhuǎn)軸與減速器輸入軸的同軸度。此外，小型自然風冷永磁同步電機散熱片形狀不可過薄且尖長，避免產(chǎn)生共振，某款小型電動車驅(qū)動電機在研發(fā)過程中通過修改其散熱片形狀明顯降低其噪聲。

2.2 電磁設(shè)計優(yōu)化

電磁振動是驅(qū)動電機振動噪聲的主要原因，在設(shè)計階段降低電磁力波幅值以及消除某些頻率的振源是降低驅(qū)動電機噪聲的主要手段。首先，在驅(qū)動電機電磁設(shè)計時，選擇滿足電磁性能的極槽配合后，需要分析該極槽配合下可能會產(chǎn)生的電磁力波階次、頻率及大小，并分析驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)的固有振型和固有頻率，校核在可能引起強烈振動和噪聲危險力波激勵下驅(qū)動電機產(chǎn)生的振動的噪聲，從降低力波大小和改善固有振動特性方面優(yōu)化驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)。然后，盡量選擇斜極或斜槽，通過改變極槽方向使徑向力波產(chǎn)生位移，可以有效削減齒諧波，降低電磁振動和噪聲[3]。此外，通過優(yōu)化驅(qū)動電機的極弧尺寸和形狀、定轉(zhuǎn)子槽形，如盡量減小槽口寬度，采用閉口槽、半閉口槽、采用磁性槽楔等措施，也能有效降低氣隙磁場諧波起到降低電磁噪聲的效果。最后，適當增大氣隙、降低氣隙磁度也是有效減低電磁振動噪聲的有效方法，但會影響驅(qū)動電機的電磁性能，需要權(quán)衡利弊。

3 非消聲背景下電動汽車用永磁同步電機NVH測試

驅(qū)動電機NVH品質(zhì)是其性能評價的重要標準之一，NHV測試是評價其品質(zhì)的主要手段。一般驅(qū)動電機NVH測試分為兩個階段，子系統(tǒng)的臺架測試和整車的路試。子系統(tǒng)臺架測試主要是驗證其本身的NVH性能，而整車路試則主要評價其對駕駛員和乘客駕駛和乘坐的感受。本文主要討論子系統(tǒng)測試，目前驅(qū)動電機子系統(tǒng)NVH臺架測試是在專業(yè)的半消聲室配備子系統(tǒng)測試臺架，使用NVH測試設(shè)備進行測試[4]，但專業(yè)半消聲室造價昂貴。本文提出在非消聲背景下子系統(tǒng)測試臺架進行NVH測試方法，建立評價標準，并在某驅(qū)動電機驗證其可行性。在專業(yè)的半消聲室內(nèi)進行測試是同步采集、分析振動和噪聲的信號，可以同時評價驅(qū)動電機的兩項指標。但噪聲是由振動引起的，噪聲和振動有著緊密的關(guān)聯(lián)，通過在非消聲背景下臺架的振動信號采集和分析，并采集和分析其在整車路試的NVH表現(xiàn)，結(jié)合兩者結(jié)果評價驅(qū)動電機在非消聲背景下的表現(xiàn)，并據(jù)此建立非消聲背景下臺架的振動與整車噪聲的聯(lián)系，依此建立驅(qū)動電機非消聲背景下振動評價指標。某驅(qū)動電機非消聲背景下臺架測試布局為在驅(qū)動電機圓周方向、徑向分別布置振動傳感器，并在近場布置麥克風。在特定測試工況下進行振動測試，其分析結(jié)果曲線如圖1所示。

從測試結(jié)果可以看出，該驅(qū)動電機在該測試工況下，在1 000~6 000 r/min范圍，34階、48階振動位移限值小于0.1μm，低于目標值。將該驅(qū)動電機安裝在整車上進行路試時，在相同工況下，車內(nèi)48階噪聲結(jié)果如圖2所示，其中綠色曲線為其測試結(jié)果，黑色曲線為其目標曲線。從結(jié)果可以看出，其在整車路試的表現(xiàn)與在臺架測試結(jié)果相同，均在目標線以下。

從該驅(qū)動電機系統(tǒng)在非消聲背景下臺架測試與其在整車路試在相同測試條件下的結(jié)果分析表明，其振動結(jié)果與噪聲具有緊密關(guān)系，可以通過降低在非消聲背景下臺架振動來控制其在整車的噪聲。4 結(jié)語驅(qū)動電機NVH性能是整車駕駛和乘坐感受評價的重要影響因素，隨著驅(qū)動電機技術(shù)的日臻成熟，其NVH表現(xiàn)會越來越優(yōu)異，給電動出行帶來更好的駕駛和乘坐舒適性。作者：黃薪槐，唐容輝，鄒世偉，陸新華，何逸波作者單位：（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西汽車新四化重點實驗室，廣西柳州545007）

來源：現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化