摘要:從電機(jī)噪聲的分類、產(chǎn)生機(jī)理、優(yōu)化措施三方面分析了永磁同步電機(jī)的NVH性能，希望能對電動(dòng)汽車企業(yè)排查整改電機(jī)NVH問題起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī) 電磁噪聲 電磁力諧波

引言

近些年來，為了應(yīng)對越來越嚴(yán)重的汽車尾氣污染問題，我國政府陸續(xù)出臺(tái)多項(xiàng)政策法規(guī)鼓勵(lì)并扶持電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力總成形式為發(fā)動(dòng)機(jī)+離合器+變速器，電動(dòng)汽車采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)+減速器的動(dòng)力總成形式，結(jié)構(gòu)更簡單。

由于永磁同步電機(jī)(后文簡稱為“電機(jī)”)具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、功率因數(shù)高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，目前已在電動(dòng)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(jī)的NVH性能優(yōu)化進(jìn)行分析。

1 電機(jī)噪聲的分類

由于電動(dòng)汽車沒有了發(fā)動(dòng)機(jī)的掩蔽效應(yīng)，電驅(qū)動(dòng)(驅(qū)動(dòng)電機(jī)+減速器）系統(tǒng)噪聲成為主要噪聲源，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)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(jī)的NVH性能開發(fā)帶來了更多的挑戰(zhàn)。

電機(jī)噪聲主要分為三大類，即：電磁噪聲、機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)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(shí)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(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振并輻射噪聲。機(jī)械噪聲主要是由于電機(jī)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(jī)械噪聲一般隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載電流的增加而變大。空氣動(dòng)力噪聲是氣體在電機(jī)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(jī)NVH性能的影響最大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予慎重考慮。

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：

如圖1所示，某款電機(jī)將氣隙由0.6mm增加至0.8mm后，60階噪聲減小10dB以上。要注意的是：隨著氣隙長度的增加，在噪聲降低的同時(shí)，電機(jī)最大扭矩及效率也會(huì)有所降低，故要合理增大氣隙長度以更好地平衡電機(jī)性能與噪聲。

 2) 合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。合理地設(shè)計(jì)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(dòng)。如圖2所示，某電機(jī)定子方案不變，將轉(zhuǎn)子由直極改為斜極，同時(shí)對轉(zhuǎn)子沖片及永磁體的形狀進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后電機(jī)的諧響應(yīng)振動(dòng)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(jī)的結(jié)構(gòu)模態(tài)是電機(jī)NVH的主要因素，對其進(jìn)行仿真計(jì)算可確定電機(jī)的結(jié)構(gòu)模態(tài)，然后對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化可避開主要階次頻率的激勵(lì)源。如圖3所示，對某電機(jī)、減速器二合一總成的電機(jī)殼體進(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)后整體質(zhì)量增加約0.9kg，60階固有頻率增加58Hz，同時(shí)最大振幅有所減小。分別將采用兩種殼體的電機(jī)總成搭載到同一車型上進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖4所示,殼體加強(qiáng)后的二代機(jī)相較于原來噪聲最大點(diǎn)降低約8dB。

3 機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)軸上的滾動(dòng)軸承與機(jī)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(jī)殼上傳遞過來的激勵(lì)，若這個(gè)激勵(lì)與軸承頻率相近就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)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(jī)運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)會(huì)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(jī)軸承噪聲主要有以下途徑：采用電機(jī)專用的耐高溫、低噪聲軸承;為避免軸承內(nèi)部混人水汽、油漬或其他異物，應(yīng)采用全密封軸承;合理設(shè)計(jì)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(dòng)平衡不好是產(chǎn)生機(jī)械噪聲最常見的原因。一般來說，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量均勻分布時(shí),軸承僅承受轉(zhuǎn)子本身的質(zhì)量，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行會(huì)非常平穩(wěn)。而實(shí)際上轉(zhuǎn)子質(zhì)量是不可能完全均勻分布的，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)離心力，這個(gè)離心力作用到軸承上就會(huì)引起噪聲，其頻率和電機(jī)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(dòng)平衡等級大于G2.5。電機(jī)廠在轉(zhuǎn)子下線時(shí)必須進(jìn)行動(dòng)平衡檢驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果在轉(zhuǎn)子兩側(cè)的平衡板上打孔，盡可能地減小動(dòng)不平衡量。

4 空氣動(dòng)力噪聲的優(yōu)化措施

由于電動(dòng)汽車上使用的電機(jī)大多數(shù)為水冷或自然冷卻，故空氣動(dòng)力噪聲主要是跟電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子表面粗糖度及凸起的零部件形狀有關(guān)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子引起空氣流動(dòng)遇到凸起的障礙物會(huì)產(chǎn)生一種鳴笛噪聲，稱作“口哨效應(yīng)”。如果電機(jī)采用強(qiáng)制風(fēng)冷的冷卻方式，轉(zhuǎn)子和冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)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(dòng)力噪聲的改善，一般應(yīng)合理設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)，在空氣流通路徑上消除凸起的零部件；同時(shí)，保證定、轉(zhuǎn)子表面具有較好的粗糙度等級。

作者：馬龍，宮慶偉