電動車驅動電機振動噪聲研究綜述

陳亞琴 劉茜 陳勇 高星

1.河北工業大學機械工程學院 天津市 300131 2河北工業大學新能源汽車研究中心 天津市 300131

1 引言

電動汽車用驅動電機與普通工業用電機的應用環境不同，車用電機安裝在運動的車體上，經常產生顛簸。驅動電機應滿足密度大、調速范圍寬、輕質量和降低制造成本等方面的要求，使得電機的結構復雜、輕薄、剛度低，導致了電機振動噪聲的抑制難度增大。尤其在高轉速、高負載情況下易產生嚴重的噪聲污染，對整車振動噪聲貢獻量大。

在傳統汽車領域，NVH問題研究已有很多。但是，對于電動車來說，發動機被電機取代，發動機的缺失并沒有改善電動汽車的振動噪聲問題，電機高頻噪聲更加明顯；電機直接連接變速器形成一體化的動力總成，由此引發的振動噪聲性能也與傳統汽車不同；此外，在整車情況下應結合噪聲級評價指標以及心理學客觀評價參數對電機進行聲品質的研究。

目前，國內外對電動汽車驅動電機振動噪聲研究相對較少。本文從驅動電機對整車聲振特性影響研究、驅動電機振動噪聲激勵源的研究、基于磁固耦合的電機振動噪聲動態響應分析研究、電機振動噪聲控制優化研究、對電機噪聲傳播路徑控制的研究等五個方面闡述電動汽車驅動電機噪聲研究現狀。

2 驅動電機對整車振動噪聲的影響研究

研究驅動電機噪聲對整車噪聲的影響有利于確定電機振動噪聲的研究重點。2008年，蔡建江[2]等對燃料電池轎車進行試驗，得出在超過某一車速下，驅動電機振動幅值變化和車內噪聲的頻率變化基本一致，且在高速工況下車內噪聲最主要頻率成分為電機轉速的基頻或諧頻。2012年，Humbert等提出電機的切向電磁力對變速器的振動特性產生影響，但缺少具體的分析。2014年相龍洋等人對新型純電動小車進行試驗，并對車內各部分進場噪聲信號進行偏相干分析[2]，得出電動汽車高速行駛時，電機噪聲為主要源頭。2015年方源等人對某集中驅動式電動車進行試驗研究，得出隨著車速的增加，相比于動力總成其他部分，電機端部的聲壓級波動較大，且電機高頻噪聲增大，對整車的聲品質產生主要影響。2016年，于蓬等人對動力總成在內部激勵下的振動進行分析，并根據試驗數據，得出電機內部電磁激勵在高頻段對動力總成的振動影響較大，進一步強調了電機高頻噪聲研究的必要性。

3 驅動電機振動噪聲激勵源的研究

3.1 電機本身電磁激勵

2010年Islam等研究并分析了永磁同步電動機的聲振特性，研究表明，徑向電磁力為電機振動的主要激勵。2012年Pellerey將電磁徑向力和切向力波施加到電機殼體進行分析，考慮了切向電磁力為振動激勵[3]。2014年Jean等人考慮了靜/動態偏心等電機缺陷產生的影響。

3.2 動力總成中的機械激勵

目前，電機—變速器一體化驅動系統是典型的集成式驅動模式，國內已有對純電動車動力總成進行聲振特性試驗的研究，于蓬等人指出，動力總成由于其特有的內部綜合激勵使電機振動噪聲產生新特點，并對動力總成的內部激勵進行理論分析和數值模擬，考慮了變速器齒輪嚙合激勵對電機的作用。2015年方源等人對動力總成進行了試驗研究，利用頻譜分析證實了變速器齒輪嚙合頻率對電機的振動噪聲影響較大。

3.3 控制電流產生的激勵

2012年，Pellerey等人考慮電流控制對電機電磁噪聲的影響，不同的控制電流將產生不同的諧波電流及電磁力波。2013年于蓬等利用場路耦合，得到了考慮外控制電路作用下的電磁激勵。此外，2010年唐任遠發現控制電流相位偏差引起2階轉矩波動[3]，證實了外控制電路可產生多源激勵引起電機振動。

3.4 其他激勵

機械激勵：軸承或電刷裝置等的機械摩擦，轉子動不平衡是最常見的機械振動激勵；電機內的冷卻風扇轉動激勵電機產生噪聲；路面不平造成的附著力波動是引起驅動電機扭振的激勵[1]。

4 基于磁固耦合的電機振動噪聲動態響應分析研究

4.1 結合場路耦合對電磁激勵進行仿真、利用ROMAX仿真獲得機械激勵

針對電機本身電磁激勵，國內外多采用電磁分析軟件仿真電磁力，早期，1997年比利時提出了計算徑向電磁力的方法，隨著有限元法的普及，多利用電磁有限元仿真軟件對電機磁場分析，2012年后考慮多物理場對電機的影響，建立了永磁同步電機多物理模型。

由于考慮外控制電路產生的電磁激勵，2012年國外學者、2013年國內學者開始進行場路耦合仿真電磁激勵，分別用有限元軟件對電機進行電磁仿真、用MATLAB/simulink搭建控制電路模型，結合兩者得到電磁激勵[3]。

針對變速器齒輪嚙合激振力，至今國內外學者已有一定研究，主要路線為結合剛柔耦合多體動力學，利用ROMAX仿真方法得到機械激勵。

4.2 利用聯合仿真研究電機動態響應

2006年國內外學者利用聯合仿真進行噪聲評估和探討感應電機電磁、聲振特性。采用結構有限元和聲場邊界元聯合仿真，將前期得到的激勵作用于有限元模型進行模態分析，將振動結果作為邊界條件施加在邊界元模型，進行動態響應分析[4]。

5 電機振動噪聲控制優化研究

5.1 基于電磁力引發的振動噪聲優化

在主動控制方面，國外學者研究較多。2002年Robert等探討了對控制器樣頻的精確控制來減小轉矩波動，2012年Pierre證實了調整電流諧波可以減小電流和振動。2005年-2012年國內學者進一步研究了采用迭代學習控制策略實現諧波轉矩的抑制。

在被動控制方面，國內外已有大量的研究，2009年Jean等通過研究適當地增加齒槽寬度也可降低電磁噪聲。2010年D.C等指出增加繞組數量以及氣隙長度可以減少徑向力波。2007年宋志環等提出調整極槽配合、繞組層數可以改善電磁噪聲。2016年鐘文彬對試驗樣機的轉子結構優化，降低了徑向激振力[5]。

5.2 基于機械振動的噪聲優化

國內外學者大都通過改善制造工藝性、改善定/轉子不平衡來優化機械噪聲。

6 對電機噪聲傳播路徑控制的研究

對噪聲傳遞路徑的控制是解決振動噪聲問題最常用的方法。控制方法有：隔振控制、阻尼控制、隔聲控制、吸聲控制。根本原理就是在振動噪聲傳遞路徑上施加減振原件，隔聲吸聲材料[6]。

6.1 電機懸置隔振研究

驅動電機通過懸置安裝在副車架上，電機的振動能量傳遞到車身。目前，國內借鑒傳統發動機動力總成懸置系統的研究方法，對電動汽車驅動電機的懸置系統研究較多。2007年閻礁等以轉子質量不平衡為激勵，對振動系統的懸置剛度進行了優化。2011年李瑩建立了電機六自由度剛體模型，將路面窄帶平穩隨機加速度作為輸入參數，得到電機動力總成質心加速度響應。2008年蔡建江對驅動電機—副車架懸置系統進行建模并仿真，提出電機懸置的隔振性能對高速工況下車內噪聲有主要作用，通過改善懸置隔振性能和副車架剛度是改善車內噪聲的有效途徑[1]。

國家重點研發計劃資助（National Key R﹠D Program of China）：高性能高可靠輕量化電機技術及產業化研究（編號：2017YFB0102400）