電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲問(wèn)題分析優(yōu)化

王康 秦永法

揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇省揚(yáng)州市 225100

1 前言

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)汽車(chē)行業(yè)飛速發(fā)展，私家車(chē)數(shù)量增加，因此對(duì)化石燃料的需求增加，但我國(guó)資源儲(chǔ)量有限，因此進(jìn)口量逐漸增加。同時(shí)，由內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)燃燒化石燃料排出的尾氣造成的空氣污染問(wèn)題也不容小覷，環(huán)保形勢(shì)也愈發(fā)嚴(yán)峻。目前，針對(duì)此情況主要提出了兩種方案：一是尋找環(huán)保的替代能源，如太陽(yáng)能、氫能等；二是改變驅(qū)動(dòng)方式，使用電機(jī)作為新的動(dòng)力源，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)。

近幾年，汽車(chē)電動(dòng)化是一個(gè)越來(lái)越明顯的趨勢(shì)。隨著電動(dòng)汽車(chē)的逐漸發(fā)展，驅(qū)動(dòng)電機(jī)朝著大功率與大轉(zhuǎn)矩的方向不斷發(fā)展，隨之而來(lái)整體噪聲也會(huì)不斷加大。與此同時(shí)，消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的使用要求也在不斷提高，電動(dòng)汽車(chē)駕乘時(shí)的安靜和舒適是消費(fèi)者考慮的一項(xiàng)重大指標(biāo)。因此，用驅(qū)動(dòng)電機(jī)取代內(nèi)燃機(jī)所帶來(lái)的新的振動(dòng)噪聲問(wèn)題必須引起重視，因?yàn)檫@和車(chē)內(nèi)人員的駕乘體驗(yàn)以及電動(dòng)汽車(chē)的質(zhì)量密切相關(guān)。

2 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)種類

隨著汽車(chē)電動(dòng)化的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)電機(jī)也經(jīng)歷了演變過(guò)程，主要存在直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁式電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)這幾種，表1為這幾種電機(jī)性能在各方面的綜合對(duì)比。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能對(duì)比表

（1）直流電機(jī)：早期在汽車(chē)上使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。但因?yàn)槠滢D(zhuǎn)速較低，逐漸不能滿足人們對(duì)高速度的需求，同時(shí)其可靠性低，維護(hù)起來(lái)較復(fù)雜，因此其在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用逐漸減少。

圖1 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（2）交流異步電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，通用性強(qiáng)，抗震性能好，與直流電動(dòng)機(jī)相比，其效率更高，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，目前在大功率的電動(dòng)汽車(chē)上使用較多。

圖2 交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（3）永磁式電機(jī)：分為兩類，一種是無(wú)刷直流，另一種是永磁同步。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率因數(shù)高，運(yùn)行效率高，振動(dòng)噪聲小，永磁同步根據(jù)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)可以分為兩種，分別為內(nèi)置式和表貼式，其結(jié)構(gòu)如圖3，圖4所示，目前被廣泛使用在電動(dòng)汽車(chē)上，有較大的發(fā)展前景。

圖3 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖4 表貼式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（4）開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)：在現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，擁有更加簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。同時(shí)，可靠性高，控制策略簡(jiǎn)單，效率高，成本低等優(yōu)勢(shì)促進(jìn)了它的發(fā)展。但是其噪聲和振動(dòng)較大，目前在電動(dòng)三輪車(chē)上使用較多。

圖5 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲問(wèn)題

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲形勢(shì)

目前，整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)都面臨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)噪聲挑戰(zhàn)。一方面，就傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)而言，主機(jī)廠對(duì)其擁有豐富的治理振動(dòng)噪聲的經(jīng)驗(yàn)，但用驅(qū)動(dòng)電機(jī)替代內(nèi)燃機(jī)以后，不僅汽車(chē)行駛時(shí)的動(dòng)力來(lái)源發(fā)生變化，而且電動(dòng)汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)、振動(dòng)噪聲的傳遞路徑和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比較也發(fā)生了變化，其傳動(dòng)原理如圖6所示，這讓主機(jī)廠處理電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲問(wèn)題時(shí)比較棘手；另一方面，就傳統(tǒng)的電機(jī)而言，電機(jī)廠對(duì)其擁有豐富的治理振動(dòng)噪聲的經(jīng)驗(yàn)，但是這些相關(guān)經(jīng)驗(yàn)并不能完全適用于處理用于驅(qū)動(dòng)整車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因此，主機(jī)廠和電機(jī)廠需要通力合作，克服這一業(yè)界難點(diǎn)，提高電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)品質(zhì)。

圖6 電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)原理圖

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲分類

總的來(lái)說(shuō)，雖然形成噪聲的因素有很多，但是可以將這些噪聲分為三種。

（1）電磁噪聲。其由電磁力的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)產(chǎn)生，按照激振源可以分為倍頻、齒諧波、滑差三種。無(wú)論在任何條件下，只要電流存在，都會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲，其中電磁噪聲與電流諧波的關(guān)系如圖7所示。因?yàn)橛兄C波的存在，會(huì)讓電流的波形圖不是規(guī)則的正弦圖像，如圖8所示，而且從圖中可以看出，還會(huì)有一些“毛刺”產(chǎn)生，會(huì)讓電動(dòng)汽車(chē)在行駛的時(shí)候產(chǎn)生一些尖銳刺耳的噪聲。當(dāng)司機(jī)駕駛電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工作過(guò)程中產(chǎn)生的電磁噪聲給司機(jī)的感受是最直接的。和傳統(tǒng)用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源的汽車(chē)產(chǎn)生的噪聲相比較，電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的電磁噪聲頻率更高，因此電磁噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)人員的駕乘體驗(yàn)有著重大影響，是最主要的噪聲。

圖7 電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲與電流諧波關(guān)系圖

圖8 惡劣的電流諧波圖

（2）機(jī)械噪聲。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的產(chǎn)生機(jī)械噪聲，主要是由軸承等結(jié)構(gòu)的摩擦和轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡問(wèn)題造成的。

（3）空氣動(dòng)力噪聲。驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，因而需要冷卻液和風(fēng)扇的存在。轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)影響電機(jī)內(nèi)的氣流變化，因而氣流波動(dòng)產(chǎn)生響聲進(jìn)入人耳形成噪聲。另外，由于冷卻液的流動(dòng)，加重了這種聲音對(duì)車(chē)內(nèi)駕乘人員干擾。通過(guò)總結(jié)，將空氣動(dòng)力噪聲細(xì)分為三類，為后續(xù)進(jìn)行振動(dòng)噪聲的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

旋轉(zhuǎn)噪聲。駕駛汽車(chē)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于處于持續(xù)工作狀態(tài)，需要及時(shí)散熱避免產(chǎn)生安全隱患，此時(shí)風(fēng)扇急速運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)氣流產(chǎn)生影響，會(huì)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，形成旋轉(zhuǎn)噪聲。

渦流噪聲。由于轉(zhuǎn)子表面有凸起，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)對(duì)氣流形成影響。因?yàn)轱L(fēng)扇的冷卻作用會(huì)造成空氣湍流，同時(shí)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)也會(huì)形成湍流，這兩者不是同時(shí)出現(xiàn)，會(huì)形成渦流。

笛鳴噪聲。因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)表面是不規(guī)則的，氣流遇到凸起阻礙時(shí)會(huì)產(chǎn)生類似笛聲的聲音，隨轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件之間氣隙的減小而增強(qiáng)。

4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲優(yōu)化

4.1 電磁噪聲優(yōu)化

針對(duì)電磁噪聲的優(yōu)化要考慮的因素比較多，因?yàn)樵诳刂齐姶旁肼暤耐瑫r(shí)，還需要使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能符合要求。電磁噪聲大小主要與氣隙中定子、轉(zhuǎn)子之間的相互作用產(chǎn)生的徑向力，電機(jī)組成部件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有關(guān)，因此可以采取以下措施來(lái)減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁噪聲：合理選擇氣隙磁密，以使在降低噪聲的同時(shí)更好的平衡驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能；增加定子槽數(shù)以減少諧波分布系數(shù)，以減小徑向電磁力諧波及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí)由直槽改為斜槽；降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子表面的動(dòng)態(tài)振動(dòng)；選擇合適的槽配合來(lái)降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁噪聲。

4.2 機(jī)械噪聲優(yōu)化

針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械噪聲優(yōu)化主要分為兩方面進(jìn)行，一方面是對(duì)軸承噪聲進(jìn)行控制，另一方面是對(duì)由轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡問(wèn)題產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行控制。

對(duì)軸承噪聲可采取以下措施：軸承徑向游隙的大小要適當(dāng)，過(guò)大會(huì)使電機(jī)的低頻噪聲變大，過(guò)小會(huì)使電機(jī)高頻變大；選擇密封軸承，避免雜物及油污進(jìn)入；軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，使軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸的配合，軸承外圈與軸承室的配合更加恰當(dāng)。

針對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡問(wèn)題可采取以下措施：提高轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度，應(yīng)大于G2.5，盡量減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)因轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻產(chǎn)生的離心力的大小。

4.3 空氣動(dòng)力噪聲優(yōu)化

針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的幾種空氣動(dòng)力噪聲，可以采取以下措施：在滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用要求的前提下，合理設(shè)計(jì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，使風(fēng)扇以盡量小的轉(zhuǎn)速滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的散熱要求，這有助于降低風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲；合理設(shè)計(jì)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，減少風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)打擊空氣產(chǎn)生的渦流噪聲；提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工藝制作水平，減少定子、轉(zhuǎn)子表面的粗糙度，有助于減小笛鳴噪聲。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述介紹可以發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題很復(fù)雜，影響因素有很多，而且有時(shí)不同噪聲之間也會(huì)產(chǎn)生影響，治理時(shí)需要綜合考量各種因素，在滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡量減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)噪聲，提高整車(chē)品質(zhì)，給駕乘人員更好的體驗(yàn)感。