電動(dòng)乘用車永磁電機(jī)的振動(dòng)噪聲測(cè)試及特性分析

丁 杰，尹 亮，李葉林

（湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 常德415000）

隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)與能源危機(jī)的重視，電動(dòng)汽車已成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。乘用車的使用條件要求永磁同步電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力與較寬的調(diào)速范圍，以及高功率密度化與輕量化，使得永磁電機(jī)的振動(dòng)噪聲問題較為凸顯，尤其是高頻電磁嘯叫噪聲會(huì)嚴(yán)重影響駕乘者的舒適性[1]。

永磁電機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲研究主要集中在電機(jī)本體振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、控制側(cè)引入的諧波對(duì)其影響及優(yōu)化等方面。Fakam 等[2]將磁導(dǎo)的解析理論與電機(jī)的數(shù)值解相結(jié)合，得到電機(jī)的復(fù)數(shù)氣隙磁導(dǎo)。蘭華[3]基于周期分析法定性分析了永磁同步電機(jī)磁鋼內(nèi)置時(shí)的氣隙磁場(chǎng)和電磁力波特征。Deng等[4]通過引入徑向電磁力波修正系數(shù)來考慮變頻驅(qū)動(dòng)下的電流諧波對(duì)電磁振動(dòng)的影響。Gieras 等[5]針對(duì)多相電機(jī)的噪聲問題開展了系統(tǒng)性研究。李曉華等[6]通過建立逆變器電流-電磁場(chǎng)-結(jié)構(gòu)場(chǎng)聯(lián)合仿真模型，分析了不同工況下電流諧波對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲特性的影響。王曉遠(yuǎn)等[7]對(duì)電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)開展電磁場(chǎng)、模態(tài)、振動(dòng)響應(yīng)和電磁噪聲等仿真分析，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)降低了電機(jī)的振動(dòng)噪聲。林福等[8]針對(duì)考慮電流諧波的永磁同步電機(jī)建立了電磁振動(dòng)和噪聲的半解析模型。Kurihara 等[9]提出通過減小徑向力之和來降低電機(jī)噪聲的電流調(diào)節(jié)方法。劉和平等[10]將電流諧波頻譜整形與隨機(jī)開關(guān)頻率脈寬調(diào)制相結(jié)合，改善了電機(jī)的噪聲性能。杜晉文[11]建立乘用車用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的電磁-結(jié)構(gòu)-聲場(chǎng)耦合仿真模型，通過仿真分析了正弦供電和非正弦供電下的電磁振動(dòng)噪聲特性。馮勤龍等[12]對(duì)某乘用車驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行定子鐵心的模態(tài)分析，確定了電機(jī)徑向電磁力是產(chǎn)生低速嘯叫問題的主要原因。

本文針對(duì)某電動(dòng)乘用車永磁電機(jī)開展全工況的振動(dòng)噪聲測(cè)試及特性分析，探究致使其振動(dòng)噪聲過大的原因及兩者間的映射關(guān)系，提出永磁電機(jī)的減振降噪方案，為提高永磁電機(jī)的噪聲抑制水平提供指導(dǎo)。

1 電流諧波引起電磁力波的理論分析

電機(jī)采用逆變器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，其定子電流是包含諧波的非正弦電流，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為：

式中：n為時(shí)間諧波次數(shù)，n=2m1k±1，m1為相數(shù)，k=0,1,2,3,…為n次諧波電流峰值；ωn和φin分別為n次時(shí)間諧波電流的角頻率和相位角。

n次時(shí)間諧波引起的定子、轉(zhuǎn)子磁通密度空間-時(shí)間變化關(guān)系分別為：

式中：n和m分別為定子和轉(zhuǎn)子空間諧波的次數(shù)；Bmνn和Bmμn分別為定子和轉(zhuǎn)子磁通密度諧波幅值；α為距離坐標(biāo)系原點(diǎn)的角度；ωn=2πnf為定子繞組時(shí)間諧波電流角頻率，f為基波頻率；ωμ,n為n次時(shí)間諧波對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)m次空間諧波角頻率；φμ,n為n次時(shí)間諧波對(duì)應(yīng)定子、轉(zhuǎn)子空間諧波向量之間的角度差。

根據(jù)麥克斯韋應(yīng)力張量，定子、轉(zhuǎn)子的同次諧波電磁徑向力分別為：

式中：μ0為自由空間的磁導(dǎo)率。

定子、轉(zhuǎn)子諧波相互作用的電磁徑向力為：

定子同次諧波（次數(shù)為n）產(chǎn)生的電磁徑向力角頻率、頻率和階次分別為：

轉(zhuǎn)子同次諧波（次數(shù)為m）產(chǎn)生的電磁徑向力角頻率、頻率和階次分別為：

定子n次諧波與轉(zhuǎn)子m次諧波產(chǎn)生的電磁徑向力角頻率、頻率和階次分別為：

逆變器的開關(guān)頻率fsw與高次時(shí)間諧波fn=n′fsw±n″f相互作用將產(chǎn)生較大的電磁力。偏心會(huì)引起電機(jī)氣隙存在脈動(dòng)，進(jìn)而引起磁通密度波動(dòng)，產(chǎn)生的單側(cè)磁拉力可能導(dǎo)致電機(jī)的彎曲模態(tài)和橢圓模態(tài)。

2 全工況的電機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試及分析

2.1 振動(dòng)噪聲的測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試工況

某電動(dòng)乘用車采用8 極48 齒槽永磁電機(jī)，該電機(jī)為水冷散熱，不存在氣動(dòng)噪聲源，其噪聲主要是由定子電磁激勵(lì)或者轉(zhuǎn)子偏心所致的離心激振力和氣隙偏心所致的電磁激勵(lì)引起的電機(jī)殼體和定子的結(jié)構(gòu)輻射噪聲[13]。

為了評(píng)估電機(jī)全工況下的振動(dòng)噪聲水平，對(duì)比分析正、反轉(zhuǎn)工況下電機(jī)振動(dòng)噪聲特性，并分析電機(jī)振動(dòng)與噪聲間的映射關(guān)系，開展了電機(jī)的振動(dòng)噪聲測(cè)試。噪聲測(cè)試的傳聲器位置根據(jù)五點(diǎn)半球法確定，噪聲測(cè)點(diǎn)N1～N5 分別布置在距離電機(jī)的法蘭中心、左側(cè)圓柱面中心、后端面中心、右側(cè)圓柱面中心和上圓柱面中心1 m 的位置處。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)V1～V5分別布置在電機(jī)上圓柱面靠近法蘭側(cè)、電器盒上表面靠近法蘭側(cè)、電機(jī)左側(cè)圓柱面中心、電機(jī)后端面和電機(jī)軸承座附近的位置處。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 電機(jī)振動(dòng)噪聲的測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試時(shí)，為避免負(fù)載的噪聲干擾，將永磁電機(jī)設(shè)置為空載，盡管該狀態(tài)下的振動(dòng)噪聲特性與額定工況存在一定差異，但其主要振動(dòng)特性及量級(jí)基本接近。測(cè)試分為正轉(zhuǎn)逐級(jí)加速（由100 r/min 至9 500 r/min，轉(zhuǎn)速間隔為100 r/min）、反轉(zhuǎn)逐級(jí)加速（由100 r/min至9 500 r/min，低轉(zhuǎn)速段的間隔為500 r/min，高轉(zhuǎn)速段的間隔為100 r/min）、反轉(zhuǎn)加速（由0至9 500 r/min）和反轉(zhuǎn)斷電（由9 500 r/min至0）等4種工況。

2.2 總聲壓級(jí)統(tǒng)計(jì)分析

將永磁電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各轉(zhuǎn)速工況下各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行A 計(jì)權(quán)計(jì)算，得到各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)和平均聲壓級(jí)。圖2 為電機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速的變化和聲壓級(jí)對(duì)比。可以看出：

圖2 電機(jī)正、反轉(zhuǎn)時(shí)聲壓級(jí)

（1）整個(gè)轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的最大聲壓級(jí)出現(xiàn)在9 100 r/min，其平均聲壓級(jí)為76.4 dB(A)，電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的最大聲壓級(jí)出現(xiàn)在9 000 r/min，平均聲壓級(jí)為79.7 dB(A)；

（2）電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，聲壓級(jí)在5 300 r/min 和9 100 r/min 處出現(xiàn)明顯的峰值，且電機(jī)在5 200 r/min～5 600 r/min 和8 300 r/min～9 500 r/min 的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)聲壓級(jí)較高（大于66 dB(A)）；電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，聲壓級(jí)在5 100 r/min 和9 000 r/min 處出現(xiàn)明顯的峰值，且電機(jī)在4 900 r/min～5 200 r/min 和7 700 r/min～9 500 r/min 的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)聲壓級(jí)較高（大于66 dB(A)），需重點(diǎn)關(guān)注；

（3）電機(jī)轉(zhuǎn)速小于8 000 r/min 時(shí)，除結(jié)構(gòu)共振轉(zhuǎn)速工況外，聲壓級(jí)較小且隨轉(zhuǎn)速變化平緩；電機(jī)轉(zhuǎn)速大于8 000 r/min時(shí)，聲壓級(jí)出現(xiàn)明顯提升現(xiàn)象，即永磁電機(jī)電磁力波隨轉(zhuǎn)速增大急速增加，建議對(duì)電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化；

（4）電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)和平均聲壓級(jí)均存在一定的差異，總體表現(xiàn)為正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)聲壓級(jí)小于反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)聲壓級(jí)，即反轉(zhuǎn)時(shí)電磁力波幅較正轉(zhuǎn)時(shí)大；

（5）5 個(gè)測(cè)點(diǎn)中N2 的聲壓級(jí)最大，前后測(cè)點(diǎn)（N1、N3）聲壓級(jí)相差不大，左右測(cè)點(diǎn)存在較大差異，原因主要是左側(cè)測(cè)點(diǎn)存在近距離反射面，以及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性引起的左圓柱面輻射聲壓較右側(cè)大。

2.3 噪聲頻譜特性分析

將電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)進(jìn)行1/3倍頻程分析和頻譜分析。圖3和圖4分別為正反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)測(cè)點(diǎn)N2的1/3倍頻程三維譜圖和相應(yīng)的聲壓級(jí)幅值-頻率-轉(zhuǎn)速色譜圖，其他測(cè)點(diǎn)的結(jié)果未列出。由圖可知：

圖3 正轉(zhuǎn)工況下N2測(cè)點(diǎn)的噪聲測(cè)試結(jié)果

圖4 反轉(zhuǎn)工況下N2測(cè)點(diǎn)的噪聲測(cè)試結(jié)果

（1）電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，其噪聲主要集中在以轉(zhuǎn)速基頻的1、2.5、3、3.5、4、7、8、10.5、16、24、40、56和88等階次為中心頻率的頻帶范圍內(nèi)；

（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速大于6 000 r/min時(shí)，電機(jī)噪聲的1階成分迅速增大，并逐漸成為最為主要的成分，在轉(zhuǎn)速為9 000 r/min 附近時(shí)出現(xiàn)最大峰值（78 dB(A)），遠(yuǎn)大于其他頻段的最大峰值（60 dB(A)），此時(shí)電機(jī)其余成分噪聲幾乎被掩蓋，電機(jī)殼體低頻共振轟鳴聲表現(xiàn)非常突兀，需進(jìn)行重點(diǎn)控制；

（3）IGBT 開關(guān)控制會(huì)引入其1、2 階開關(guān)頻率（fsw、2fsw）的電磁激勵(lì)（高階脈沖分量非常小可忽略不計(jì)），經(jīng)電機(jī)電磁諧波的調(diào)幅作用，產(chǎn)生一系列以IGBT 開關(guān)頻率1、2 階為中心頻率、以n 階電磁諧波為正負(fù)梯度的電磁力波成分（見圖5），這些成分的噪聲對(duì)電機(jī)的總聲壓級(jí)存在較大的貢獻(xiàn)，應(yīng)予以關(guān)注；

（4）電機(jī)噪聲16 階成分在轉(zhuǎn)速為5 200 r/min（正轉(zhuǎn)時(shí)5 300 r/min，反轉(zhuǎn)時(shí)5 100 r/min）附近出現(xiàn)明顯峰值，且在該轉(zhuǎn)速時(shí)，16階成分對(duì)總聲壓級(jí)貢獻(xiàn)最大，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

2.4 噪聲與振動(dòng)的映射關(guān)系

為了分析噪聲與振動(dòng)之間的映射關(guān)系，圖5 給出了電機(jī)殼體表面振動(dòng)測(cè)點(diǎn)V1振動(dòng)速度的幅值-頻率-轉(zhuǎn)速色譜圖，其他測(cè)點(diǎn)的結(jié)果未列出。可以看出電機(jī)殼體表面各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度頻譜特性與噪聲基本一致，與電機(jī)電磁噪聲完全為結(jié)構(gòu)輻射噪聲的事實(shí)相符。

圖5 V1測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度轉(zhuǎn)速-頻率-幅值色譜圖

2.5 電機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理分析

圖6 為N2 測(cè)點(diǎn)在反轉(zhuǎn)加速工況下的聲壓級(jí)-頻率-幅值色譜圖。可以看出：電機(jī)在低轉(zhuǎn)速（小于5 000 r/min）時(shí)1階電磁力波引起的振動(dòng)噪聲幅值明顯小于其他高階成分，這是因?yàn)榇藭r(shí)1 階激勵(lì)并沒有與殼體產(chǎn)生共振；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于5 000 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速提升1 階噪聲成分迅速增大并逐漸成為主導(dǎo)，根據(jù)上述特性和電機(jī)的電磁力波特性，可推測(cè)該電機(jī)轉(zhuǎn)子存在較大的偏心，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，轉(zhuǎn)子偏心呈轉(zhuǎn)速的2 次方增大，這一方面會(huì)增大作用于電機(jī)殼體的離心激振力，同時(shí)也會(huì)增大電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙偏心，形成1 階電磁力波，兩者相互疊加使1階結(jié)構(gòu)輻射噪聲迅速攀升。

圖6 反轉(zhuǎn)加速工況下N2測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)轉(zhuǎn)速-頻率-幅值色譜圖

圖7 為N2 測(cè)點(diǎn)在反轉(zhuǎn)斷電減速工況下的聲壓級(jí)-頻率-幅值色譜圖。電機(jī)斷電減速直至停機(jī)時(shí)，電磁噪聲不再含有對(duì)應(yīng)于IGBT 開關(guān)激勵(lì)的噪聲成分，只存在本身的電磁諧波成分。從圖7 中存在明顯的2.5、3、3.5 等階次成分可以推測(cè)這是由于與轉(zhuǎn)子偏心相應(yīng)階次的分量形成的電磁激振力波所致。根據(jù)以上分析可知，控制轉(zhuǎn)子偏心度能有效減小電機(jī)的電磁噪聲。

圖7 反轉(zhuǎn)減速工況下N2測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)轉(zhuǎn)速-頻率-幅值色譜圖

3 共振分析

3.1 電機(jī)的模態(tài)測(cè)試

為了能掌握電機(jī)的結(jié)構(gòu)模態(tài)特性，并分析電機(jī)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的共振情況，對(duì)電機(jī)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。模態(tài)測(cè)試中測(cè)點(diǎn)M 1～M 12分別為電機(jī)右側(cè)圓柱面中心靠近后端面、電機(jī)下圓柱面中心靠近后端面、電機(jī)左側(cè)圓柱面中心靠近后端面、電機(jī)右側(cè)圓柱面中心、電機(jī)下圓柱面中心、電機(jī)左側(cè)圓柱面中心、電機(jī)右側(cè)圓柱面中心靠近法蘭、電機(jī)下圓柱面中心靠近法蘭、電機(jī)左側(cè)圓柱面中心靠近法蘭、電機(jī)上圓柱面中心、電機(jī)上圓柱面中心靠近法蘭和電器盒上表面根部。

表1 為模態(tài)測(cè)試所得的頻率和阻尼比。圖8 為模態(tài)測(cè)試中部分模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型。由模態(tài)測(cè)試結(jié)果可知：

圖8 部分模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型

表1 電機(jī)的模態(tài)測(cè)試結(jié)果

（1）頻率小于300 Hz 時(shí)，電機(jī)殼體以橢圓變形和三角形變形為主；

（2）300 Hz～1 300 Hz時(shí)，電機(jī)殼體主要表現(xiàn)出多邊形加局部變形的模態(tài)；

（3）頻率大于1 300 Hz 時(shí)，電機(jī)殼體主要以局部模態(tài)為主，此時(shí)電機(jī)模態(tài)非常密集，基本以多個(gè)模態(tài)疊加的形式存在，對(duì)應(yīng)的頻響函數(shù)表現(xiàn)為非常寬泛的頻響峰值，在進(jìn)行模態(tài)參數(shù)提取時(shí)，則表現(xiàn)為較大的阻尼比和復(fù)雜性。

3.2 工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電機(jī)共振分析

為了分析電機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速工況內(nèi)可能存在的共振情況，結(jié)合前文對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲特性及激振力波特性的分析，繪制如圖9所示的電機(jī)共振轉(zhuǎn)速圖，其中I 和II 分別對(duì)應(yīng)市區(qū)常用工況轉(zhuǎn)速范圍（3 000 r/min～6 000 r/min）和加速或高速行駛工況轉(zhuǎn)速范圍（6 000 r/min～9 500 r/min）。由圖9可知：

圖9 電機(jī)共振轉(zhuǎn)速圖

（1）在轉(zhuǎn)速范圍I，電機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)與電磁力波的1、2.5、3、3.5、4、7、8、10.5、16、24、40和56等階次成分的激振力耦合，從前面分析可知，其中16 階次激振力在5 300 r/min 時(shí)電機(jī)21 階圓柱底部局部擴(kuò)張模態(tài)引起振動(dòng)噪聲明顯增大，需重點(diǎn)關(guān)注，其余階次成分的電磁激振力波在對(duì)應(yīng)的共振轉(zhuǎn)速工況下對(duì)振動(dòng)噪聲的增幅貢獻(xiàn)相對(duì)較小；

（2）在轉(zhuǎn)速范圍II，電機(jī)1階激振力波與電機(jī)多個(gè)低階三角形加橢圓變形的結(jié)構(gòu)模態(tài)發(fā)生耦合共振，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速在9 000 r/min附近時(shí)第4 階模態(tài)

3.3 電機(jī)減振降噪方案

與1階電磁力波的耦合共振最為明顯，需重點(diǎn)關(guān)注。

該永磁電機(jī)存在較大的轉(zhuǎn)子偏心，這是1 階電磁力波及1 階離心激振力的主要來源，應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子的偏心度予以重點(diǎn)控制。

電機(jī)殼體第4階橢圓加三角形變形（橫向變形）模態(tài)相對(duì)振幅最大的節(jié)點(diǎn)位于圓柱左、右兩側(cè)圓柱面，可在中部偏后端蓋位置增加多條弧形加強(qiáng)筋，用以提高圓柱殼體的徑向剛度。

21階圓柱底部局部擴(kuò)張模態(tài)耦合變形為凹陷徑向變形，變形最大位置為圓柱底部中心位置，可用直條加強(qiáng)筋與圓弧加強(qiáng)筋組合的形式（十字交叉，交點(diǎn)為圓柱底部中心位置），提高其最大變形位置的局部剛度。

4 結(jié)語

（1）由全工況下的電機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試可知，在整個(gè)轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，電機(jī)正轉(zhuǎn)空載運(yùn)行的最大聲壓級(jí)出現(xiàn)在9 100 r/min，平均聲壓級(jí)為76.4 dB(A)，反轉(zhuǎn)運(yùn)行最大聲壓級(jí)出現(xiàn)在9 000 r/min，平均聲壓級(jí)為79.7 dB(A)，此時(shí)電機(jī)殼體低頻共振轟鳴聲表現(xiàn)非常突兀；

（2）電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，噪聲主要集中在以轉(zhuǎn)速基頻的1、2.5、3、3.5、4、7、8、10.5、16、24、40、56和88等階次為中心頻率的頻帶范圍內(nèi)；

（3）該電機(jī)存在較大的轉(zhuǎn)子偏心，電機(jī)加速或高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)1階激振力波與第4階結(jié)構(gòu)模態(tài)發(fā)生耦合共振，通過控制轉(zhuǎn)子的偏心度和增大電機(jī)殼體剛度可以提升電機(jī)噪聲控制水平。