某新能源汽車驅動電機旋變蓋模態分析

韋 舒，覃一倫

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

驅動電機旋變蓋板安裝于電機后端蓋旋變位置，為旋變提供密封環境。旋變蓋安裝于電機后端蓋上，若選用低成本沖壓成型的薄壁件，則對噪聲輻射控制是極為不利的。本文選用某永磁同步電機作為研究對象，其激勵源主要有電磁力和不平衡力。對旋變蓋進行模態分析了解其固有特征，規避在主要激勵頻率范圍內產生結構響應輻射噪聲。

1 激勵源分析

電機激勵力主要有電磁力和旋轉機械激勵力[1]。電磁力主要由定、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。旋轉機械激勵力主要由旋轉部件摩擦（如軸承）、幾何形狀不規則（如轉子不平衡）等產生。電磁力主要由徑向電磁力對殼體激勵而向外輻射振動產生，其主要特征與極對數、極槽數線性相關。本文研究電機為峰值轉速12000 r/min，8 極、48槽永磁同步電機，所以其激勵力頻率范圍為：

其中，f為頻率，N為電機轉速，p為極對數。

旋轉機械激勵力主要由不平衡力及轉子、定子不對中產生的1 階、2 階及其諧次激勵。

2 模態分析理論

模態是結構系統的一種固有屬性，表征模態的特征參數是振動系統各階固有頻率、陣型、模態質量、模態剛度和模態阻尼等[2]。模態分析就是用模態參數來表示結構系統的運動方程，確定模態參數的過程。一般結構系統在進行動態分析時，通?？蛇\動微分方程描述：

式中：[M] 為系統的質量矩陣；[C] 為系統的阻尼矩陣；[K]為系統的剛度矩陣；{x¨}、{x˙}、{x}為系統的加速度向量、速度向量、位移向量；{f（t）}為系統的外激勵力向量。

模態分析方法就是以無阻尼的各階主陣型所對應的模態坐標來代替物理坐標，使微分方程解耦，變成各個獨立微分方程。通過Laplace 變換及引入模態坐標，相互耦合的N個自由度系統的方程組解耦后的第i個方程為：

在任意坐標l 下，其響應為：

從式（3）可知，采用模態坐標后，N自由度振動系統的振動響應，相當于N個模態坐標下單自由度系統的響應之和。在模態坐標下的質量Mi，剛度Ki，阻尼Ci及固有陣型φji，均稱為模態參數，并分別稱為模態質量，模態剛度，模態阻尼及模態陣型。

3 旋變蓋有限元模態分析

3.1 模型

旋變蓋作為密封旋變的零件，其設計需要有一定的剛度及強度，避免受電磁力、機械激勵力等激勵共振。圖1 為旋變蓋幾何模型，圖2 為旋變蓋有限元模型。本模型寬厚比大于20，因而使用殼單元網格來提高計算精度。

圖1 旋變蓋幾何模型

圖2 有限元模型

3.2 邊界條件

驅動電機通過螺栓剛性連接至變速器，旋變蓋安裝在電機殼體的后端，后端蓋的剛度相對于旋變蓋可視為剛體，因此,電機殼體后端蓋對6 個安裝孔自由度全約束。計算旋變蓋約束模態結果是：楊氏模量為205000 MPa，泊松比為0.29，密度為7.85E-009 t/mm3。約束邊界如圖3 所示。通過使用ABAQUS 的Lanczos 求解方法，求得40 個模態本征值完成約束模態求解。

圖3 約束邊界

3.3 計算結果

3.3.1 模態頻率

求解模態頻率結果見表1 模態頻率，一階模態為2563.8 Hz，可避開1 階、2 階機械激勵，8 階電磁力，但未能避開24 階、48 階激勵力，因激勵力頻率范圍很廣，不可能完全規避，同時對于高頻結構響應性較差，一般不會造成噪聲輻射較強問題。

表1 模態頻率

3.3.2 模態陣型

模態陣型表征了受激勵振動時系統的振動響應，下面展示前6 階模態陣型，如圖4～圖9。

圖4 1 階陣型

圖5 2 階陣型

圖6 3 階陣型

圖7 4 階陣型

圖8 5 階陣型

圖9 6 階陣型

從前6 階陣型結果來看，1 階表現為伸縮呼吸模態，2階、3 階為對中心點對稱扭轉模態。電機主要激勵力方向為徑向，與1 階模態表現的軸向及2 階、3 階扭轉向量一致的概率較低，因此即使有頻率耦合也較難形成共振。

4 結論

通過分析某新能源汽車永磁同步電機旋變蓋板模態特征，了解了旋變蓋模態頻率及模態陣型，為電機NVH 設計提供了依據。模態頻率已不在主要激勵頻率范圍，模態向量與主要激勵方向不同，可滿足設計要求。