切向電磁力對電動(dòng)車動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲的影響分析

方源，　章桐,3，　于蓬，　郭榮

(1.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；3.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 201804)

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切向電磁力對電動(dòng)車動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲的影響分析

方源1,2，章桐1,2,3，于蓬1,2，郭榮1,2

(1.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；3.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 201804)

摘要:為了研究電動(dòng)車的高頻電磁噪聲問題，以電動(dòng)車動(dòng)力總成為研究對象，綜合考慮電機(jī)電磁徑向電磁力波和切向電磁力波，建立了動(dòng)力總成有限元分析模型，采用一種弱磁-固耦合的方法對動(dòng)力總成的電磁振動(dòng)噪聲特性進(jìn)行分析，研究切向電磁力對系統(tǒng)振動(dòng)噪聲特性的影響。在半消聲室中，對動(dòng)力總成進(jìn)行振動(dòng)加速度及輻射噪聲測試，以驗(yàn)證仿真分析方法的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明，電機(jī)與減速器集成后，切向電磁力對電機(jī)振動(dòng)噪聲影響不大，但對減速器產(chǎn)生了不可忽略的影響，在2 000 Hz和2 400 Hz處，切向電磁力在減速器表面產(chǎn)生了明顯的振動(dòng)，并且對減速器表面2 000 Hz～2 400 Hz范圍內(nèi)的聲場貢獻(xiàn)較大。研究結(jié)果對電機(jī)的電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為降低電機(jī)的電磁振動(dòng)提供理論依據(jù)和試驗(yàn)支持。

關(guān)鍵詞:動(dòng)力總成；模態(tài)分析；切向電磁力；徑向電磁力；振動(dòng)噪聲

0引言

隨著世界各國大力推廣新能源汽車，國內(nèi)外學(xué)者也開始研究電動(dòng)車用永磁同步電機(jī)的振動(dòng)噪聲特性振動(dòng)特性，研究發(fā)現(xiàn)噪音和振動(dòng)的根源是徑向力引起的電磁振動(dòng)[1-4]。此外，在進(jìn)行電磁仿真分析時(shí)，通常施加理想的三相正弦電流，沒有考慮外電路電阻、電感等元件的影響[3-8]；隨著研究的深入，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)：針對電機(jī)-減速器集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，由于電機(jī)與減速器存在耦合作用，因此有必要考慮電磁切向力波。B.Prasanth針對車用發(fā)電機(jī)嘯叫進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)電機(jī)嘯叫不僅與其自身有關(guān)，還與與其連接的機(jī)械構(gòu)件有關(guān)。通過改變連接方式、增加質(zhì)量塊等方式提高了電機(jī)的噪聲品質(zhì)[9]。P.Pellerey等人分析了電磁切向力對電動(dòng)車動(dòng)力總成動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，提出切向電磁力不會(huì)對電磁噪聲有較大貢獻(xiàn)，但是會(huì)對減速器動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響[10]。

本文以集中驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車動(dòng)力總成為研究對象，考慮外電路的影響，建立場路耦合電磁仿真分析模型，得到徑向和切向電磁力。分析切向電磁力對系統(tǒng)振動(dòng)噪聲特性的影響。

1電磁力計(jì)算

電磁噪聲主要由電機(jī)運(yùn)行時(shí)氣隙中諧波磁場相互作用做產(chǎn)生的電磁力波引起的。利用麥克斯韋定律可求出定子鐵心內(nèi)表面單位面積上的法向電磁力Pr和切向電磁力Pt，如下式所示：

(1)

(2)

式中：μ為空氣磁導(dǎo)率，為4×10-7H/m；Br、Bt分別為電磁徑、切向氣隙磁密。

1.1電磁激勵(lì)仿真建模

采用場路耦合的方法來考慮外電路對電磁激勵(lì)的影響。聯(lián)合仿真模型如圖1所示，在Simplorer中搭建SPWM控制電路，在Ansoft中建立電機(jī)電磁分析模型。通過將外部電路產(chǎn)生的三相電流輸入到電磁分析模型中實(shí)現(xiàn)場路耦合聯(lián)合仿真[11]。電磁激勵(lì)仿真工況為電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，負(fù)載為12 N·m。

圖1　電磁激勵(lì)聯(lián)合仿真模型Fig.1　　　　Joint simulation model for electromagnetic　　　 excitation

1.2仿真結(jié)果分析

圖2(a)為電機(jī)電磁力波時(shí)域圖，可以看出，徑向力和切向力均呈周期性變化，徑向力峰值達(dá)到了106N/m2，切向力峰值達(dá)到了4×105N/m2；電磁力頻域分布如圖2(b)所示，可以看出，電磁力在400 Hz、800 Hz、1 200 Hz、1 600 Hz、2 000 Hz等頻率處存在峰值，這些頻率均為電機(jī)電流諧波頻率。國內(nèi)外眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，考慮到切向力幅值較小以及電機(jī)結(jié)構(gòu)對稱的原因都忽略了切向電磁力的作用，而認(rèn)為電機(jī)徑向力是產(chǎn)生電磁振動(dòng)噪聲最主要的原因。但是，電機(jī)與減速器集成在一起后不再是圓柱結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的振動(dòng)特性會(huì)發(fā)生變化，在實(shí)際工作中切向電磁力可能對動(dòng)力總成的振動(dòng)噪聲產(chǎn)生很大影響，有必要加以考慮。因此，后續(xù)的研究工作一方面要注重減小電磁力的幅值，另一方面要避免一些電磁力的諧波分量出現(xiàn)在動(dòng)力總成的固有頻率處。

2模態(tài)分析

模態(tài)分析是對系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識和估計(jì)的技術(shù)，是結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析基礎(chǔ)。根據(jù)動(dòng)力總成實(shí)際的邊界條件將3個(gè)懸置處約束后進(jìn)行模態(tài)分析，為研究電機(jī)振動(dòng)/噪聲提供力學(xué)分析依據(jù)。材料參數(shù)如表1所示。計(jì)算得到的振型及頻率如圖3所示。

表1　材料參數(shù)

圖2　電磁力Fig.2　Electromagnetic force

圖3　模態(tài)振型Fig.3　Mode shape

從圖3可以看出，減速器的加入使得系統(tǒng)的振型變得復(fù)雜，不再是典型的電機(jī)振型，而是既有單獨(dú)的電機(jī)振型，也有單獨(dú)的減速器振型，還有二者耦合的整體振型；動(dòng)力總成固有頻率分布密集，在電磁力的諧波頻率附近都存在著多個(gè)固有頻率，會(huì)對系統(tǒng)振動(dòng)噪聲特性產(chǎn)生影響。

在但采爾幫助下，蔡元培陪周養(yǎng)浩于11月21日“到大學(xué)報(bào)名”。接下去的一年里，蔡元培則利用夫人注冊入學(xué)的便利，了解漢堡大學(xué)有關(guān)民族學(xué)的課程，借閱圖書館的圖書，潛心研究民族學(xué)。期間，他多次拒絕主持北大校務(wù)的蔣夢麟和北大評議會(huì)要他回國主持校務(wù)的請求。在1925年1月3日致北京大學(xué)評議會(huì)的信中，蔡元培云：“自去年十月起，即屏除一切，專心求學(xué)。冀再歷一二年，稍有所得，以副研究之名。若此時(shí)輟業(yè)而歸，則所謂何所聞而來、何所見而去，不特自問難安，而亦無以副本校特別優(yōu)待之盛意。”[8]227

3振動(dòng)特性分析

利用ANSYS有限元軟件建立該電機(jī)三維結(jié)構(gòu)的有限元模型，再以時(shí)域瞬態(tài)電磁場分析得到的穩(wěn)態(tài)電磁力作為激勵(lì)，進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析，得到在電磁力激勵(lì)下電機(jī)的振動(dòng)特性。利用有限元法容易建立電機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(3)

圖4為ANSYS Workbench中的分析模型和受力示意圖，將徑、切向電磁力分別加到定子齒上,觀察動(dòng)力總成表面振動(dòng)情況。電機(jī)在實(shí)際工作時(shí)，動(dòng)力總成懸置是固定在副車架上的，因此動(dòng)力總成的電磁振動(dòng)分析是在懸置零位移約束狀態(tài)、電機(jī)定子內(nèi)表面受到一個(gè)旋轉(zhuǎn)激勵(lì)力的條件下計(jì)算得到的。

圖4　受力示意圖Fig.4　Example of electromagnetic forces on the stator

在有無切向電磁力的作用下，計(jì)算得到在0 Hz～5 000 Hz 的頻率范圍內(nèi)，動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度，如圖5、圖6所示。

從圖5電機(jī)外側(cè)振動(dòng)加速度頻域圖可以看出，切向電磁力對電機(jī)徑向振動(dòng)幾乎沒有影響，而在2 400 Hz處電機(jī)表面的切向加速度有明顯的差別。從圖6減速器表面振動(dòng)加速度頻域圖可知，在2 000 Hz以及2 400 Hz處，切向電磁力對減速器表面的振動(dòng)加速度有較大影響。這是因?yàn)榍邢螂姶帕υ? 000 Hz和2 400 Hz處存在峰值，而2 000 Hz和2 400 Hz接近系統(tǒng)的第5階和第8階的固有頻率。

圖5　電機(jī)表面振動(dòng)加速度Fig.5　Vibration acceleration of motor

圖6　減速器表面振動(dòng)加速度Fig.6　Vibration acceleration of reducer

圖7為徑、切向電磁力共同作用下，動(dòng)力總成表面振動(dòng)位移圖。可見盡管只有電機(jī)定子受力，但由于電機(jī)與減速器是通過螺栓連接成一體的，因此電磁力對減速器殼體仍會(huì)產(chǎn)生較大影響。

圖7　動(dòng)力總成振動(dòng)位移Fig.7　Vibration displacement of electric powertrain

4噪聲研究

以LMS Virtual.Lab Acoustics有限元仿真軟件為平臺，仿真動(dòng)力總成的電磁噪聲聲場分布情況。圖8為樣機(jī)電磁噪聲聲場分布云圖。從圖8仿真結(jié)果可知，動(dòng)力總成機(jī)身附近的聲功率較大，這是由于徑向電磁激振力直接作用在電機(jī)定子鐵心內(nèi)表面，而隨著聲場的擴(kuò)大，聲場呈射線狀散開。

圖8　動(dòng)力總成殼體結(jié)構(gòu)輻射聲場聲壓級分布Fig.8　　　　Distribution of sound field radiated from　　　 gearbox in sound pressure level

圖9(a)為電機(jī)表面某點(diǎn)的聲壓曲線，可以看出，切向電磁力對電機(jī)表面的聲壓級貢獻(xiàn)不大，只是在2 400 Hz左右有4 dB的差別。圖9(b)為減速器表面某點(diǎn)的聲壓曲線，可以看出，在2 000 Hz～2 400 Hz范圍內(nèi)，切向電磁力對減速器表面的聲壓級貢獻(xiàn)較大，有13 dB左右的差距。這與圖7減速器表面的振動(dòng)加速度相對應(yīng)。

圖9　聲壓頻譜圖Fig.9　Frequency spectrum of noise

5試驗(yàn)研究

在半消聲室內(nèi)對某集中驅(qū)動(dòng)式純電動(dòng)車動(dòng)力總成進(jìn)行振動(dòng)噪聲試驗(yàn)，測試動(dòng)力總成表面振動(dòng)加速度和輻射噪聲[12]。測試系統(tǒng)示意圖如圖10所示。工況為轉(zhuǎn)速3 000 r/min,扭矩12 N·m。

圖10　測試系統(tǒng)Fig.10　Test system

從圖11電機(jī)表面振動(dòng)加速度可以看出，一方面，由于減速器箱體以及齒輪嚙合力的影響，在某些頻域范圍內(nèi)電機(jī)表面的切向加速度反而大于徑向加速度；另一方面，在2 400 Hz和3 900 Hz處存在峰值，這也與圖6的仿真結(jié)果較為吻合。由于存在齒輪嚙合激勵(lì)、軸承激勵(lì)、轉(zhuǎn)子不平衡等作用力，因此圖11中的結(jié)果不能在仿真中完全體現(xiàn)出來。圖12減速器軸承座處聲壓階次中，既有電磁激勵(lì)產(chǎn)生的第24、36階次，也有齒輪嚙合激勵(lì)產(chǎn)生的29和58階次；在1 500 r/min～5 000 r/min的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，2 400 Hz處的聲壓級都較高(如圖中紅圈所示)，這與上文提到的電磁切向力以及系統(tǒng)的固有頻率有關(guān)。

圖11　電機(jī)表面振動(dòng)加速度頻譜圖Fig.11　Vibration acceleration spectrum

圖12　減速器軸承座處聲壓階次圖Fig.12　Reducer noise order

6結(jié)論

本文首先基于場路耦合對電機(jī)的電磁場進(jìn)行分析，得到了電機(jī)穩(wěn)態(tài)過程中的徑、切向電磁力。將動(dòng)力總成穩(wěn)態(tài)下電機(jī)定子受到的電磁力進(jìn)行傅立葉分析，得到電磁力的諧波成分。在ANSYS Workbench中建立了電動(dòng)車動(dòng)力總成有限元模型，分析了切向電磁力對系統(tǒng)振動(dòng)噪聲特性的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。得到的主要結(jié)論如下:

1)減速器的存在使得系統(tǒng)的振型變得復(fù)雜，不再是典型的電機(jī)振型，而是既有單獨(dú)的電機(jī)振型，也有單獨(dú)的減速器振型，還有二者耦合的整體振型。

2)動(dòng)力總成固有頻率分布密集，在電磁力的諧波頻率附近都存在著多個(gè)固有頻率，會(huì)對系統(tǒng)振動(dòng)噪聲特性產(chǎn)生影響。

3)電機(jī)與減速器集成化后，切向電磁力產(chǎn)生了不可忽略的影響：振動(dòng)方面，切向電磁力僅對電機(jī)表面的切向振動(dòng)產(chǎn)生影響而對徑向振動(dòng)沒有影響，但是從減速器表面的振動(dòng)情況來看，切向電磁力在2 000 Hz和2 400 Hz處產(chǎn)生了明顯的振動(dòng)；噪聲方面，切向電磁力對電機(jī)表面的聲壓級貢獻(xiàn)不大，只是在2 400 Hz左右有4 dB的差別。而對減速器表面2 000 Hz～2 400 Hz范圍內(nèi)的聲場貢獻(xiàn)較大。其原因在于，整體考慮電機(jī)與減速器后，系統(tǒng)的振動(dòng)特性發(fā)生改變，切向電磁力會(huì)對減速器產(chǎn)生影響，而且切向電磁力在固有頻率2 000 Hz和2 400 Hz處存在諧波分量。

參 考 文 獻(xiàn):

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(編輯：張楠)

Effect of tangential electromagnetic force on vibration and noise of electric powertrain

FANG Yuan1,2，ZHANG Tong1,2,3，YU Peng1,2，GUO Rong1,2

(1.New Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.School of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804,China; 3.Sino-German College of Applied Sciences,Tongji University,Shanghai 201804,China)

Abstract:To study the electromagnetic noise of electric vehicle,the internal dynamic excitation of gears and the electromagnetic excitation of electric motor were considered,and the dynamic finite element model of transmission system and structure system of the electric powertrain was established.A weak-coupled method was presented here to analyze electromagnetically excited vibration and noise and the effect of tangential electromagnetic force on vibration and noise.A noise and vibration test was conducted to verify the simulation.The result shows the tangential electromagnetic force contributes little to the noise and vibration of the electric machine but a lot to the reducer especially in 2 000 Hz and 2 400 Hz.Based on the analysis,the electromagnetic parameters and the structure of the electrical machine could be improved and optimized to reduce its electromagnetically excited vibration．

Keywords:electric powertrain；modal analysis; tangential electromagnetic force; radial electromagnetic force; vibration and noise

收稿日期:2014-06-04

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51205290)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(1700219118)

作者簡介：方源(1989—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)車動(dòng)力總成系統(tǒng)振動(dòng)噪聲研究；

通訊作者:章桐

DOI:10.15938/j.emc.2016.05.013

中圖分類號:U 463

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1007-449X(2016)05-0090-06

章桐(1960—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檎嚰稍O(shè)計(jì)及新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)；

于蓬(1986—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲研究；

郭榮(1979—)，男，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槠囌駝?dòng)與噪聲控制。