新能源汽車驅動電機制造層面的NVH分析和優化研究

朱克非

摘 要：NVH（Noise Vibration Harshness噪音振動平順性）是新能源汽車行業衡量驅動電機的設計水平和制造質量的重要指標。為了從制造過程來分析和優化驅動電機的NVH性能，提升量產電機產品的制造質量，本文結合六西格瑪DMAIC質量體系方法，應用到車用驅動電機產品的實際量產制造中，進行了制造產線中NVH相關的MSA（測量系統分析），利用FTA（故障樹分析）得到了影響電機制造NVH的相關變量，通過相關性分析方法和最佳子集回歸法得到了影響制造NVH的關鍵因素，優化并將改善點加入了產線NVH控制計劃。本研究對于提升車用驅動電機的制造質量水平及建立車用驅動電機制造NVH開發體系具有重要意義。

關鍵詞：新能源汽車 驅動電機 量產制造 NVH

1 引言

NVH是新能源汽車行業衡量驅動電機設計和制造水平的重要指標，因此NVH性能不僅與電機的電磁、結構和控制設計相關，也與電機制造過程中的來料質量和裝配工藝密切相關。很多論文做了驅動電機、電驅系統設計層面的NVH分析優化，但是從量產制造層面來研究驅動電機NVH性能分析優化的研究相對較少。

為了保證實際電機產品在大規模量產制造時的質量和工藝一致性，需要建立量產制造層面的電機NVH開發體系，本文采用六西格瑪質量體系的DMAIC方法。六西格瑪質量體系包含DFSS和DMAIC兩種方法。DFSS即Design For Six Sigma 六西格瑪設計，包含DOE（Design of Experiment 實驗設計）等實用工具，主要應用于新產品的設計。DMAIC方法即Define定義，Measure測量，Analysis分析，Improve改進，Control控制，這一套方法流程主要應用于對現有產品的優化改進，如圖1所示。DMAIC方法包含MSA（Measuring System Analysis測量系統分析）、 FTA（Fault Tree Analysis故障樹分析）、Correlation Analysis（相關性分析）等實用工具。本文主要研究的是對現有量產驅動電機制造層面的NVH性能做分析優化，因此相對于DFSS方法，DMAIC方法更適合應用于本研究。

2 基于六西格瑪DMAIC的制造NVH分析優化

2.1 項目定義

Define階段需明確要解決的電機制造NVH問題，一般將影響制造產線NVH合格率較大的問題點定義為項目目標。此外，還需要定義項目的背景、時間計劃、預期經濟效益以及項目團隊。由于NVH與電機定轉子、機殼等的來料和裝配過程都密切相關，因此NVH作為一個系統問題，需要成立一個多專業方向、跨部門的項目組，一般由公司領導層牽頭，同時質量部門、工藝部門、生產部門、技術部門的同事一起組織成立一個六西格瑪小組，并由六西格瑪黑帶大師負責具體指導。

2.2 測量分析

Measure測量主要包含MSA（Measuring System Analysis）測量系統分析和尺寸測量。在尺寸測量之前，首先需要保證測量系統測得的結果具有較好的一致性，并且可以準確地測量定轉子同軸度、疊片高度、垂直度等尺寸，以及電機的振動、電流、轉速等物理量。MSA主要是對測量系統的準確性和一致性做分析的。制造產線的測量系統包含了NVH EOL（End of Line）下線檢測臺架、轉子動平衡測量儀、電機軸承壓裝力的測量傳感器、電機結構尺寸的三坐標測量儀等。

為了保證出廠的電機產品NVH性能是合格的，不會出現振動噪音較大的情況，需要建立NVH EOL下線檢測臺架，對一段時間內的電機做NVH下線測試，進行時域上的幅值分析，頻域上的頻譜分析、階次分析，統計出振動的限值標準，并結合整車NVH測試的反饋，來設置NVH的出廠檢測判定標準。基于此標準，對振動值較大的電機做攔截防止不合格品流出，同時對不合格品做故障診斷分析優化，并將改善點加入產線NVH控制計劃來加以管控。由于實際生產線所處的環境并非安靜的半消聲室，產線的環境噪音對NVH EOL臺架的聲學測量結果干擾較大，因此產線上一般用振動代替聲音來檢測下線電機的NVH性能，并且需要對NVH EOL測試臺架做MSA分析。此外，從制造過程中來說，轉子動平衡工藝是影響電機NVH的重要工藝，為了保證轉子動平衡測量是準確的，需要做轉子動平衡測量儀的MSA分析。一般用P/T值（即Precision/Tolerance，即精度/公差）來衡量測量系統的一致性，可以用公式表示為

NVH的MSA P/T=Precision/Tolerance

=6*σms/公差? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中的σms為NVH測量系統的標準差，公差為測量系統的公差。一般來說，NVH相關的P/T值不大于10%能保證較好的測量準確性和一致性，P/T值在10%到30%之間是屬于有條件接受的范圍，給出相關的合理分析即可接受，超過30%一般不可接受。

車用電機的振動主要分為低頻機械振動和電磁力激發的高頻電磁振動，當電機的機械轉速升高時，機械振動和電磁振動的頻率也隨之升高。振動頻率與振動階次、電機機械轉速（rpm）之間關系為

振動頻率（Hz）=振動階次*電機機械轉速（rpm）/60? ? ? ? ? ? ? ? （2）

例如，當電機機械轉速為6000rpm時，機械轉頻為100 Hz，1階振動為100Hz，1階振動一般代表的是與電機轉子動平衡相關的振動。對于新能源汽車行業驅動電機常用的8極48槽永磁同步電機，主要的電磁振動階次為8階、24階、48階和96階。為了使電機NVH EOL臺架的測量系統具有較好的一致性，本研究優化了臺架減震和接地方式、以及電機在臺架上的安裝方式。優化后的NVH EOL臺架測得的機械和電磁階次振動值MSA分析結果如表1所示。