某混合動力汽車電機噪聲分析和降噪設計

鐘文彬，黃森，張軍輝

(菲亞特克萊斯勒亞動力科技研發(上海)有限公司，上海 201800)

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某混合動力汽車電機噪聲分析和降噪設計

鐘文彬，黃森，張軍輝

(菲亞特克萊斯勒亞動力科技研發(上海)有限公司，上海 201800)

摘要：混合動力電動汽車與傳統汽車相比結構差異較大，傳動系統及運行模式作了改變，致使傳動系統在不同模式下表現出不同的NVH問題。以某開發過程中的混合動力轎車動力總成為研究對象，針對其開發過程中出現的電機高頻噪聲過大問題，采取正向設計方法進行優化，提升了該電機的NVH性能，其聲品質有大幅提高。研究內容對工程實際具有指導意義。

關鍵詞：混合動力電動汽車；NVH；電機

0引言

混合動力電動汽車與傳統汽車相比結構差異較大，傳動系統及其運行模式作了改變，致使整車的振動噪聲與傳統車相比具有新特點，傳動系統在不同模式下表現出不同的NVH問題[1-2]，使得振動噪聲的控制更為復雜，較低的背景噪聲使得原來傳統汽車中被掩蓋的噪聲凸顯出來，電機的高頻電磁噪聲會嚴重降低車內噪聲的聲音品質，同時降低乘坐舒適性。另外，電機的高扭矩和高轉速特性對齒輪系統的高頻嘯叫噪聲控制提出了新挑戰，電動汽車動力總成振動噪聲問題不單單是發動機和變速器的結構噪聲和燃燒噪聲問題，傳動結構的變化導致發動機、電機、齒輪系統之間耦合振動更為復雜。目前針對電動汽車NVH研究的相關文獻較少，振動噪聲設計應該是正向設計而不是逆向設計，振動噪聲問題應該在設計階段就進行杜絕和優化，而不是出廠和售后問題。文中以某開發過程中的混合動力轎車動力總成為研究對象，對其開發過程中電機高頻噪聲過大問題進行正向設計，采取優化措施，提升了該電機的NVH性能，其聲品質有大幅提高，對工程實際有指導意義。

1問題描述及NVH測試

該車型的動力傳動系由發動機、行星齒輪系統、主電機、電池組、后驅電機組成。樣車在試車階段純電動模式驅動，電機轉速6 250 r/min時，駕駛室存在高頻電磁噪聲，車內噪聲主觀評價較差，聲品質較差；另外起步階段電機的高頻電磁噪聲同樣較大。該電機為8極48槽(極對數p=4)同步電機，該混合動力汽車的動力傳動系簡圖如圖1所示。

圖2為電機振動噪聲測試實驗臺，在電機的右側距離外殼1 m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LMS TEST.LAB振動噪聲測試系統，主要測試在全負荷300 N·m時按照500 r/(min·s)的升速速率，采集電機振動噪聲隨電機轉速的變化規律。

由圖3—5可知：前驅電機的24階和48階為主要噪聲源，其中48階的噪聲貢獻最大，特別是在6 250 r/min時達到峰值。由于頻率達到5 000 Hz，產生“刺耳”的高頻電磁噪聲。滿載300 N·m時48階的噪聲水平與總體Overall Level的噪聲水平持平，達到100 dB(A)，作為主要噪聲源，要降低電機的整體噪聲必須降低48階的噪聲貢獻量。

為了進一步了解系統的動態固有特性，對電機定子進行了自由模態測試，結果見圖6。

前9階模態頻率是：600、849、1 550、1 833、2 867、3 291、3 148、4 686、5 148 Hz，48階在6 250 r/min時激勵頻率與第9階模態頻率接近，定子在徑向力波的作用下處于共振狀態。

2同步電機噪聲的計算及降噪措施

同步電機的噪聲具有以下特點:

(1)定子和轉子合成磁場基波產生的振動具有電網2倍的頻率，振動的幅度正比于氣隙磁密的平方；

(2)由于任何一對定子磁勢建立的磁密為Bv的旋轉波和轉子磁勢建立的磁密為Bu的旋轉波相互作用會產生較高頻率的振動，它們當中最強的是齒諧波；

(3)在考慮相互作用的磁場Bv、Bu時，必須注意只是產生最大力波的磁場及振動力波次數r最小的諧波。

2.1電機噪聲計算

力波次數r計算如下[3-5]：

子磁場諧波v為：

v=(6q1+1)pq1=0，±1，±2，…

(1)

轉子諧波u為：

u=(2q2+1)pq2=0,1,2，…

(2)

力波數r為：

r=u±v

(3)

其中：p為電機極對數；q1、q2分別為每極每相槽數。

r=u+v時,諧波頻率f：

f=2fN(q2+1)

(4)

r=u-v時, 諧波頻率f：

f=2fNq2

(5)

(6)

式中：fN是轉速為N時電磁旋轉頻率；f0為電機轉子機械轉頻。

定子一階齒諧波-44時，查表1得q2=5,所以諧波頻率：

f=2·fN·(5+1)=48f0

(7)

定子一階齒諧波52時，查表1得q2=6,則諧波頻率：

f=2·fN·6=48f0

由式(7)和(8)可知：定子一階齒諧波-44、52對應主要振動階次剛好為48階。一階齒諧波引起的48階振動是最強的，其力波數r=0。

當轉速為6 250 r/min時，定子和轉子旋轉波相互作用,產生的激振頻率為：

由于定子和轉子之間力波周期性振動，當該激勵頻率與電機轉子和定子固有頻率重合時會激發更大的噪聲。要降低48階的噪聲輻射，從2個方面考慮：(1)降低激振力；(2)改變固有頻率。由于電機的轉速范圍較廣，通過給定子加筋板、優化模態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，也就是轉子和定子之間相互徑向作用力。

轉子定子徑向力計算如下：

定子轉子諧波相互作用產生力波振幅P：

(9)

比徑向力P0：

(10)

定子機械阻抗zc：

ω=2πf

(11)

已知定子的等效質量mc，定子內圓半徑R0，定子軛平均半徑Rc，立波數r=0時，等效柔度λc：

(12)

其中：h為定子軛高度；Rc為定子軛平均半徑；E為彈性模量。

定子鐵心表面的振動速度v：

(13)

由式(13)可知：在機械阻抗不變的情況，降低定子轉子諧波相互作用產生的力波振幅P,便可降低定子殼體表面振動速度，從而達到降噪的目的。

2.2電機噪聲的抑制措施及效果

該電機轉子有8極，在轉子每極增加3個小槽。增加小槽改善了磁通。通過CAE仿真得出的定子和轉子相互作用徑向力幅值對比(48階，在6 250 r/min時)見圖7。

對于8極48槽3相電機來說,只需計算第1槽和第2槽2個槽的轉子和定子之間的徑向力，其他46齒與2齒有共同規律，計算結果見圖8和圖9。

從圖8和圖9可見徑向力明顯減小了,通過噪聲測試發現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5 000 Hz，但是由于48階的徑向力和總的徑向力大幅度下降，振動能量降低了，定子殼體表面振動輻射的聲壓級也大幅下降，最終降低了噪聲輻射水平，達到了改善聲品質的目的。

3結論

文中通過試驗和仿真相結合對開發過程中電機高頻噪聲過大問題進行正向設計，通過優化轉子結構，降低了轉子定子徑向力激振力，最終提升了該電機的NVH性能，其聲品質有大幅提高，對工程實際有一定指導意義。

參考文獻:

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【7】EISELE G，WOLFF K．Acoustics of Hybrid Vehicles[R]．SAE2010-01-1402．

Noise Analysis and Reduction Design for Hybrid Vehicle Motor

ZHONG Wenbin, HUANG Sen, ZHANG Junhui

(Fait Chrysler Powertrain Technologies Shanghai R & D Co.,Ltd., Shanghai 201800,China)

Keywords:Hybrid vehicle; NVH;Motor

Abstract:Compared with traditional vehicle,electrical vehicle’s power train is different.Its transmission system and operating mode are changed, these changes show different NVH problems.Taking a hybrid vehicle as the research object,its motor existed a very high frequency noise in the design phase.In order to optimize its NVH characteristic,measures were promoted to advance its NVH performance after redesigning its rotor structure,so its sound quality had greatly improved.The research has guiding significance for engineering practice.

收稿日期：2016-02-24

作者簡介：鐘文彬(1983—)，男，高級工程師，研究領域為新能源汽車動力系統集成與控制策略。E-mail：wenbin.zhong@fcagroup.com。

中圖分類號:U467

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)05-050-04