在早期的文章中，我們介紹了電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)噪音的整體性概念，強(qiáng)調(diào)振動(dòng)和噪音是個(gè)系統(tǒng)性的問(wèn)題，需要從系統(tǒng)的角度去理解和解決。 本期，我們回到問(wèn)題的源頭---電機(jī)本體。嘗試回答如何從電機(jī)本體去理解問(wèn)題和解決問(wèn)題。

為什么電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)振動(dòng)噪音問(wèn)題會(huì)突出？

電機(jī)都有振動(dòng)噪音隱患， 但電驅(qū)動(dòng)電機(jī)更加突出。這一方面是因?yàn)橐蟾鼑?yán)格了，因?yàn)殡姍C(jī)的振動(dòng)很容易通過(guò)傳遞引起減速器、車(chē)架等部件的二次振動(dòng)和耦合振動(dòng)；另一方面電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的工況特點(diǎn)也對(duì)電機(jī)產(chǎn)生了較大的約束，這些約束會(huì)惡化振動(dòng)噪音問(wèn)題 。比如說(shuō)高磁密問(wèn)題和集中繞組問(wèn)題。

電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的在性能上追求高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度，在經(jīng)濟(jì)上又強(qiáng)調(diào)低成本。這導(dǎo)致了設(shè)計(jì)氣隙逐步減小，氣隙磁密逐步提高。最終高磁密的問(wèn)題會(huì)反映到電機(jī)的噪音和振動(dòng)水平上。



最近幾年在低速車(chē)微型車(chē)領(lǐng)域，出現(xiàn)了許多集中繞組式的電機(jī)。集中繞組就是近槽極比配合，繞組跨距為1的電機(jī)。這種設(shè)計(jì)一方面是因?yàn)槔@組端部小，能減少用銅量，另一方面是為了迎合大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，集中繞組能夠直接自動(dòng)繞線，生產(chǎn)效率極高。但集中繞組卻帶來(lái)了很大的振動(dòng)噪音挑戰(zhàn)。這是因?yàn)榧欣@組的分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了大量低階齒諧波，這些諧波容易和基波相互配對(duì)產(chǎn)生低空間次數(shù)的電磁力波。而低空間次數(shù)電磁力容易在機(jī)殼和定子上激勵(lì)出較大的振動(dòng)響應(yīng)，并伴隨作噪音問(wèn)題。



隨著對(duì)續(xù)航里程的要求提高，電動(dòng)汽車(chē)的輕量化趨勢(shì)明顯，一方面電機(jī)本體的機(jī)殼和定子的厚度再降低，另一方面減速器、車(chē)橋、車(chē)架的質(zhì)量也在下降。這導(dǎo)致了無(wú)論是本體還是系統(tǒng)的剛度都在下降，相同的電磁力激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生更大的振動(dòng)響應(yīng)，還可能會(huì)引起更大的噪音。



如何分析振動(dòng)噪音問(wèn)題？

欲解決振動(dòng)噪音問(wèn)題，必先解決如何分析問(wèn)題。這里就有很多方法和流派，總的來(lái)說(shuō)可以歸納為：自上而下和自下而上兩種方法。



自下而上是經(jīng)驗(yàn)派的主要工作方法，解決的套路和破案差不多，先到案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)收集證據(jù)，然后分析可能的嫌疑對(duì)象，針對(duì)嫌疑對(duì)象進(jìn)行調(diào)查，然后給出假設(shè)邏輯鏈和證據(jù)鏈。一旦鎖定了目標(biāo)，就做出針對(duì)性的修改，重新做一臺(tái)電機(jī)來(lái)檢驗(yàn)假想是否正確，如果正確了，問(wèn)題解決，否則推倒重來(lái)。

自上而下是學(xué)院派的主要工作方法，學(xué)院派相信理論，相信方法論，在設(shè)計(jì)時(shí)就通過(guò)模型技術(shù)分析出了可能的故障特征，如果有問(wèn)題及時(shí)更改設(shè)計(jì)。如果實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)了未預(yù)料到的故障特征，也會(huì)通過(guò)改善模型精度和計(jì)算方法來(lái)逐步逼近問(wèn)題。

在實(shí)際工作中，我們應(yīng)該做集大成者，這兩種方法要結(jié)合起來(lái)用，相互配合，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，應(yīng)該以學(xué)院派為主，經(jīng)驗(yàn)派為輔助。下面我著重介紹 自上而下的分析過(guò)程：



第一步：電磁力計(jì)算，一般需要計(jì)算出兩類(lèi)電磁力。一類(lèi)是定子齒頂上每個(gè)單元的電磁力，以便后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析用，這是一種實(shí)時(shí)的分布力。另外一種是氣隙中的電磁力波，即電磁力的波函數(shù)，它是用來(lái)分析電磁力可能產(chǎn)生的原因。簡(jiǎn)單的說(shuō)：前面一種電磁力是用來(lái)模型計(jì)算用，后面一種電磁力是用來(lái)逆向分析用，它們是源同而表達(dá)方式不同。

第二步：模態(tài)計(jì)算和驗(yàn)證。模態(tài)計(jì)算的精度受約束條件、浸漆、繞組等因素的制約，不太容易一次獲得精確解。因此需要通過(guò)實(shí)際檢測(cè)的結(jié)果來(lái)修正各種約束和阻尼的設(shè)置。模態(tài)的實(shí)測(cè)方法一般為錘擊法。模態(tài)分析即是為了修正模型，又可以用來(lái)預(yù)測(cè)共振的風(fēng)險(xiǎn)。

第三步： 振動(dòng)響應(yīng)分析，計(jì)算第一步的電磁力施加在第二步的模型上，機(jī)殼、定子的瞬態(tài)響應(yīng)。獲得關(guān)注點(diǎn)的加速度和速度振動(dòng)的幅值和相位。

第四步：噪音分析和預(yù)測(cè)，通過(guò)聲學(xué)分析軟件，計(jì)算球面噪音的頻率分布和分貝。

如何解決振動(dòng)噪音問(wèn)題？

關(guān)于這一點(diǎn)，各家都有各家的手段。有的側(cè)重通過(guò)工藝來(lái)解決問(wèn)題， 有的側(cè)重電機(jī)本體設(shè)計(jì)，有的側(cè)重從控制器角度來(lái)解決問(wèn)題，更有集大成者 采用綜合性策略。

從工藝路線解決，是一種被動(dòng)解決方案。常用的手段是，改善浸漆質(zhì)量比如通過(guò)二次浸漆提高掛漆量和浸透深度。類(lèi)似的方法還有改善鐵芯疊壓質(zhì)量，降低齒定的彈片量、改善繞組端部長(zhǎng)度和綁扎質(zhì)量等等。這些手段的本質(zhì)是提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛度和阻尼，從而減弱振動(dòng)的幅值。

從本體設(shè)計(jì)路線解決，是一種本質(zhì)性解決方案，主要的思想是從振動(dòng)發(fā)生的源頭出發(fā)，能減弱電磁力就減弱電磁力，減弱不了就讓問(wèn)題電磁力的頻率避開(kāi)結(jié)構(gòu)體的固有頻率。相應(yīng)的手段有槽極比選擇，它可以明顯改變電磁力的頻率分布；提高氣隙均勻度，能控制電磁力成分，不均勻的氣隙會(huì)導(dǎo)致額外的諧波并產(chǎn)生額外的電磁力。除此之外還有許多方法，不一一例舉。

控制路線解決，在電機(jī)本體問(wèn)題無(wú)法排除的情況下，還可以發(fā)揮控制器的主觀能動(dòng)性，硬件不行就軟件補(bǔ)。常用的方法是諧波管理。它可以從正反兩面來(lái)解決問(wèn)題，舉個(gè)例子：如果已經(jīng)明確分析出5次電樞諧波是導(dǎo)致振動(dòng)噪音的主要源頭，那么控制時(shí)就對(duì)5次諧波作單獨(dú)抑制，從而減弱噪音。如果反過(guò)來(lái)發(fā)現(xiàn)主要噪音是1階齒諧波引起的，而5次電樞諧波剛好能夠抵消掉1階齒諧波產(chǎn)生的電磁力，那么我們就主動(dòng)注入5次電樞諧波，就好比以毒攻毒。在國(guó)外，從控制側(cè)解決振動(dòng)噪音問(wèn)題成為研究熱點(diǎn)，因?yàn)檫@種方法機(jī)動(dòng)靈活，不需要增加成本。



下面我先舉三個(gè) 國(guó)外學(xué)者從電機(jī)本體解決問(wèn)題的方法，以便打開(kāi)思路，啟發(fā)靈感。

第一個(gè)例子是針對(duì)集中繞組的齒槽諧波引起的噪音的。有人對(duì)定子齒作了如下圖的修形處理，將圓弧面修成平面。并以齒頂寬和齒頂高作為可變參數(shù)，作了參數(shù)化計(jì)算。最后優(yōu)化的結(jié)果是能將電機(jī)的振動(dòng)降低7%。



第二個(gè)例子是關(guān)于扭振和斜極的。這位前輩第一款電機(jī)將轉(zhuǎn)子分成兩段，兩段間斜了半個(gè)槽。這樣達(dá)到了降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，車(chē)輛在啟動(dòng)過(guò)程中更平穩(wěn)，但發(fā)現(xiàn)電機(jī)在3000-4000HZ的噪音特別大。問(wèn)題出在扭轉(zhuǎn)共振上，該電機(jī)定子的第三階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率在3725HZ，振形為上下反向拉伸，上下的相位剛好相反。而兩段式斜極導(dǎo)致上下兩段的齒槽轉(zhuǎn)矩相位也是相反的。這樣就和振型就高度一致 了，在某個(gè)轉(zhuǎn)速下必然導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象。解決的方法就是改進(jìn)斜極方式，如下圖兩種新的斜極方式，實(shí)測(cè)下來(lái)噪音改善效果都很明顯。



第三個(gè)例子 利用轉(zhuǎn)子不對(duì)稱(chēng)修形和復(fù)合達(dá)到類(lèi)似斜極的效果。如下圖所示，有兩種轉(zhuǎn)子沖片，A沖片左極弧小于右極弧，B沖片則剛好相反。兩種沖片通過(guò)A-B-A的方式復(fù)合成一個(gè)轉(zhuǎn)子，實(shí)測(cè)后效果很好。不但明顯降低了1000-2000HZ噪音，齒槽轉(zhuǎn)矩也有相當(dāng)比例的下降。



再舉兩個(gè)通過(guò)控制側(cè)解決噪音問(wèn)題的方法：

第一種方法是利用雙控制器，降低高頻電磁噪音。如下圖所示，通過(guò)雙控制器能明顯抑制電機(jī)電流的PWM諧波。達(dá)到降噪的效果。



另外一種觀點(diǎn)思路比較新穎，有位前輩發(fā)現(xiàn)電機(jī)的主要振動(dòng)模態(tài)是4階，而引起該階振動(dòng)的電磁力，受交直軸電流影響非常大。他作了仿真和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不但電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)振動(dòng)不一致，即便在電動(dòng)狀態(tài)的第二相限（Id為負(fù)，Iq為正），不同的Id和Iq分配，振動(dòng)大小也不一樣。因此他提出一種觀點(diǎn)，就是在電機(jī)和控制器耦合設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以?xún)?yōu)化電磁力為目標(biāo)，優(yōu)化電機(jī)參數(shù)和控制策略，使得電流分配達(dá)到最佳噪音效果。但目前還沒(méi)有看到實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用。



結(jié)論

本周我們討論了三個(gè)問(wèn)題，第一個(gè)為什么電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)的振動(dòng)噪音問(wèn)題突出，這是和輕量化、高密度化、低成本化的需求相關(guān)的。第二討論了分析振噪問(wèn)題的套路，有自下而上和自上而下兩種流派。其中自上而下的分析過(guò)程又分成了四步，分別是電磁力分析、模態(tài)分析、振動(dòng)分析、噪音預(yù)測(cè)。第三討論了解決振動(dòng)噪音問(wèn)題的一系列方法，可以從工藝出發(fā)也可以從設(shè)計(jì)出發(fā)，比較新穎的是從控制出發(fā)。希望對(duì)你有所啟發(fā)。