車用永磁同步電機NVH 性能的優化

馬 龍， 宮慶偉

（大運汽車股份有限公司， 山西 運城 044000）

引言

近些年來，為了應對越來越嚴重的汽車尾氣污染問題，我國政府陸續出臺多項政策法規鼓勵并扶持電動汽車行業的發展。傳統汽車的動力總成形式為發動機+離合器+變速器，電動汽車采用驅動電機+減速器的動力總成形式，結構更簡單。

由于永磁同步電機（后文簡稱為“電機”）具有體積小、質量輕、效率高、功率因數高、起動轉矩大等優點，目前已在電動汽車行業獲得最廣泛地應用。故本文著重對永磁同步電機的NVH 性能優化進行分析。

1 電機噪聲的分類

由于電動汽車沒有了發動機的掩蔽效應，電驅動（驅動電機+減速器）系統噪聲成為主要噪聲源，其中驅動電機的高頻特性使得人們對聲品質的關注度大幅上升。且隨著驅動電機朝著寬調速區間、更高轉速、輕量化等方向的發展，給電機的NVH 性能開發帶來了更多的挑戰。

電機噪聲主要分為三大類，即：電磁噪聲、機械噪聲、空氣動力噪聲。電磁噪聲主要是由定、轉子諧波磁場相互作用而產生隨時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，當電磁力諧波頻率與定子總成的固有頻率相同或接近時，就會產生共振并輻射噪聲。機械噪聲主要是由于電機部件摩擦（如軸承）、幾何形狀不規則（如轉子不平衡）等產生的噪聲，機械噪聲一般隨轉速和負載電流的增加而變大。空氣動力噪聲是氣體在電機散熱系統中產生的渦流噪聲和笛鳴噪聲。其中，電磁噪聲對電機NVH 性能的影響最大，在設計時應給予慎重考慮[1-2]。

2 電磁噪聲的性能優化

1）適當增大氣隙長度。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：Lω1-Lω2=40lg（P1/P2）=40lg（δ1/δ2）。如圖1 所示，某款電機將氣隙由0.6 mm 增加至0.8 mm 后，60 階噪聲減小10 dB 以上。要注意的是：隨著氣隙長度的增加，在噪聲降低的同時，電機最大扭矩及效率也會有所降低，故要合理增大氣隙長度以更好地平衡電機性能與噪聲。

圖1 某電機氣隙加大前后噪聲對比

圖2 優化前后諧響應振動（mm）及噪聲（dB）對比

2）合理設計轉子結構。合理地設計轉子結構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矩脈動。如圖2 所示，某電機定子方案不變，將轉子由直極改為斜極，同時對轉子沖片及永磁體的形狀進行優化，優化后電機的諧響應振動及噪聲值均有明顯改善。

3）調整定子總成的固有頻率。電機的結構模態是電機NVH 的主要因素，對其進行仿真計算可確定電機的結構模態，然后對其結構進行優化可避開主要階次頻率的激勵源。如圖3 所示，對某電機、減速器二合一總成的電機殼體進行加強,加強后整體質量增加約0.9 kg，60 階固有頻率增加58 Hz，同時最大振幅有所減小。分別將采用兩種殼體的電機總成搭載到同一車型上進行測試，測試結果如圖4 所示，殼體加強后的二代機相較于原來噪聲最大點降低約8 dB。

圖3 某電機殼體更改前后模態對比

圖4 某電機殼體更改前后噪聲對比

3 機械噪聲的優化措施

3.1 軸承噪聲的產生與優化

一方面，電機轉子通過轉軸上的滾動軸承與機殼裝配在一起，軸承作為中間連接支撐的零件，必將承受定轉子及機殼上傳遞過來的激勵，若這個激勵與軸承頻率相近就會產生振動噪聲。另一方面，由于軸承本身的滾珠及內、外圈之間存有間隙，滾珠不夠圓潤或內部混有雜物，當電機運行時，軸承隨轉子一起旋轉，軸承滾珠、內外圈以及轉軸、軸承室之間相互碰撞，導致在高轉速運行時會產生很大的軸承噪聲。此外，軸承噪聲還與潤滑狀態及溫度相關。

降低電機軸承噪聲主要有以下途徑：采用電機專用的耐高溫、低噪聲軸承；為避免軸承內部混入水汽、油漬或其他異物，應采用全密封軸承；合理設計軸承外圈與軸承室、軸承內圈與轉軸的配合尺寸。

3.2 轉子不平衡噪聲

轉子動平衡不好是產生機械噪聲最常見的原因。一般來說，當電機轉子質量均勻分布時，軸承僅承受轉子本身的質量，此時電機運行會非常平穩。而實際上轉子質量是不可能完全均勻分布的，導致電機運行時轉子上會產生一個離心力，這個離心力作用到軸承上就會引起噪聲，其頻率和電機旋轉頻率相同，屬于低頻噪聲。

目前，為了控制轉子不平衡引起的噪聲，一般要求轉子動平衡等級大于G2.5。電機廠在轉子下線時必須進行動平衡檢驗，根據檢驗結果在轉子兩側的平衡板上打孔，盡可能地減小動不平衡量。

4 空氣動力噪聲的優化措施

由于電動汽車上使用的電機大多數為水冷或自然冷卻，故空氣動力噪聲主要是跟電機轉速、轉子表面粗糙度及凸起的零部件形狀有關。當電機運行時，轉子引起空氣流動遇到凸起的障礙物會產生一種鳴笛噪聲，稱作“口哨效應”。如果電機采用強制風冷的冷卻方式，轉子和冷卻風扇旋轉時會引起空氣湍流在轉子表面交替出現渦流而產生渦流噪聲。

對于空氣動力噪聲的改善，一般應合理設計電機結構，在空氣流通路徑上消除凸起的零部件；同時，保證定、轉子表面具有較好的粗糙度等級。