基于V型斜極轉(zhuǎn)子的電動(dòng)車(chē)低速嘯叫優(yōu)化分析

鄭 濤，李成濤，鄧業(yè)寶，張慶軍，陳世榮，劉 強(qiáng)

基于V型斜極轉(zhuǎn)子的電動(dòng)車(chē)低速嘯叫優(yōu)化分析

鄭 濤，李成濤，鄧業(yè)寶，張慶軍，陳世榮，劉 強(qiáng)

（浙江零跑科技股份有限公司，浙江 杭州 310051）

純電動(dòng)汽車(chē)低速行駛時(shí)特定車(chē)速存在明顯嘯叫聲，影響駕駛舒適性。經(jīng)分析，確認(rèn)問(wèn)題車(chē)速下嘯叫噪聲主要由電機(jī)48階噪聲貢獻(xiàn)，診斷并鎖定造成該嘯叫問(wèn)題的關(guān)鍵因素為電磁力激發(fā)轉(zhuǎn)子模態(tài)。為解決該嘯叫問(wèn)題，將轉(zhuǎn)子斜極方式由線性斜極優(yōu)化為V型斜極。試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證，V型斜極轉(zhuǎn)子有效降低了問(wèn)題車(chē)速下電機(jī)48階噪聲的幅值，顯著提升了聲品質(zhì)。

純電動(dòng)汽車(chē)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)；48階噪聲；嘯叫問(wèn)題；V型斜極

近年來(lái)，出于節(jié)能減排等考慮，我國(guó)不斷出臺(tái)政策促進(jìn)新能源汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，電池、電驅(qū)和電控等關(guān)鍵技術(shù)得到長(zhǎng)足進(jìn)步。人們對(duì)新能源汽車(chē)的關(guān)注點(diǎn)不再僅限于動(dòng)力、續(xù)航及安全等方面，對(duì)車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。新能源汽車(chē)由于沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的掩蔽，驅(qū)動(dòng)電機(jī)嘯叫噪聲顯得愈加明顯。高頻嘯叫噪聲會(huì)引起駕乘人員的不適，嚴(yán)重影響舒適性，這對(duì)噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能提出了重大挑戰(zhàn)。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)氣隙磁場(chǎng)作用在定子鐵心齒上并產(chǎn)生電磁力，其中徑向力使機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生主要的振動(dòng)變形及結(jié)構(gòu)共振是噪聲的主要來(lái)源。

本文以某純電動(dòng)汽車(chē)低速行駛時(shí)存在的嘯叫噪聲為研究對(duì)象，采用LMS SCADAS 16通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析，結(jié)合仿真分析，應(yīng)用V型斜極轉(zhuǎn)子方案，對(duì)低速行駛嘯叫噪聲進(jìn)行優(yōu)化。

1 低速行駛嘯叫噪聲診斷

1.1 問(wèn)題現(xiàn)象描述

某純電動(dòng)汽車(chē)在加速10～30 km/h的行駛過(guò)程中，存在連續(xù)嘯叫聲。在車(chē)速25 km/h附近，嘯叫聲明顯增大，為主觀評(píng)價(jià)主要抱怨問(wèn)題。

因此，本文主要針對(duì)問(wèn)題車(chē)速25 km/h附近的噪聲峰值突變進(jìn)行分析及優(yōu)化。

1.2 嘯叫噪聲的診斷分析

1.2.1噪聲測(cè)試

根據(jù)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，采集車(chē)輛加速過(guò)程中車(chē)內(nèi)噪聲等相關(guān)信號(hào)，分析嘯叫聲產(chǎn)生原因，如圖1所示。

圖1 駕駛員耳旁麥克風(fēng)傳聲器

1.2.2噪聲分析

針對(duì)該低速行駛嘯叫問(wèn)題，采集到整車(chē)加速過(guò)程中的車(chē)內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)，分析車(chē)內(nèi)主要階次噪聲成分及峰值。車(chē)輛加速噪聲頻譜和48階噪聲分別如圖2和圖3所示。

圖2 整車(chē)加速車(chē)內(nèi)噪聲頻譜

由加速車(chē)內(nèi)噪聲頻譜及48階噪聲曲線可見(jiàn)，1 300～1 500 Hz頻段內(nèi)存在共振特征，48階噪聲在經(jīng)過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min（對(duì)應(yīng)車(chē)速約25 km/h）時(shí)，其幅值被明顯放大，峰值大于35 dB(A)，引起乘客抱怨。

為進(jìn)一步分析問(wèn)題車(chē)速下，48階噪聲出現(xiàn)峰值突變的原因，排除車(chē)輛其他影響因素，單獨(dú)對(duì)電驅(qū)總成進(jìn)行分析。

抽取兩批次下線電驅(qū)總成進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，分析電驅(qū)總成升速時(shí)主要階次噪聲的特征。電驅(qū)總成升速噪聲頻譜及48階噪聲曲線分別如圖4和圖5所示。

圖3 整車(chē)加速車(chē)內(nèi)48階噪聲曲線

圖4 電驅(qū)總成臺(tái)架噪聲頻譜

圖5 電驅(qū)總成臺(tái)架48階噪聲

由臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，兩批次電驅(qū)總成在升速至1 800 r/min附近時(shí)，48階噪聲峰值凸顯， 1 300～1 500 Hz存在明顯共振帶。

48階噪聲在電機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min附近存在明顯峰值突起與車(chē)速25 km/h嘯叫聲變大問(wèn)題完全對(duì)應(yīng)，確認(rèn)抱怨問(wèn)題的根源來(lái)自電驅(qū)總成。

對(duì)電驅(qū)總成內(nèi)部的零部件進(jìn)行排查分析，采用模態(tài)試驗(yàn)方法確認(rèn)電機(jī)定子無(wú)1 400 Hz模態(tài)，可排除，如圖6所示。轉(zhuǎn)子存在頻率約為1 400 Hz的模態(tài)振型，為共振帶來(lái)源，如圖7所示。

圖6 定子主要模態(tài)

圖7 轉(zhuǎn)子模態(tài)

基于以上分析推論，1 800 r/min處48階噪聲峰值產(chǎn)生原因?yàn)殡姶帕?lì)轉(zhuǎn)子模態(tài)導(dǎo)致發(fā)生共振，引起噪聲突變。

2 低速行駛嘯叫噪聲的優(yōu)化

2.1 電機(jī)激勵(lì)分析

氣隙磁場(chǎng)中的電磁力為一系列不同頻率和不同分布的旋轉(zhuǎn)力波，根據(jù)麥克斯韋電磁理論，徑向電磁力為

不考慮磁飽和及偏心的情況下，永磁同步電機(jī)氣隙磁密為

2(,)=(,)×(,) （2）

式中，(,)為氣隙磁動(dòng)勢(shì)；(,)為氣隙磁導(dǎo)。

氣隙磁動(dòng)勢(shì)由定子基波磁動(dòng)勢(shì)、定子諧波磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子諧波磁動(dòng)勢(shì)相互作用產(chǎn)生，產(chǎn)生的力波階次分別為

定子次諧波

=(61+1),1=0,±1,±2,... （3）

轉(zhuǎn)子次諧波

=(22+1),2=0,1,2,... （4）

式中，為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)。

定轉(zhuǎn)子組合力波階次

=±（5）

一般分析認(rèn)為，可能引起電機(jī)強(qiáng)烈振動(dòng)噪聲的力波具有以下特點(diǎn)：1）力波幅值較大；2）力波階次較低；3）力波的力型及變化頻率與結(jié)構(gòu)的振型及固有頻率接近，引起共振。

與高階力波相比，低階力波會(huì)引起更強(qiáng)烈的振動(dòng)，故主要關(guān)注產(chǎn)生的0階力波。根據(jù)式（3）—式（5），計(jì)算得到力波階數(shù)，如表1所示。

表1 電磁力波階數(shù)表

極對(duì)數(shù)p=4槽數(shù)z=48q10-11-22-33 1-57-1113-1719 υ4-2028-4452-6876 q2 μ 014 0 1312 8-8 2520 0-8 3728 80 4936 51144 0-8 61352 80 71560 81768 0-8 91976 80

=0階空間力波的力波頻率分別為6f、12f、18f,…，其中12f頻率分量最大（f為電頻率），如圖8所示。r=2p階空間力波的力波頻率分別為2f、4f、6f、8f,…，其中2f頻率分量最大，如圖9所示。

由上述可見(jiàn)，48階噪聲主要貢獻(xiàn)為12f電磁力，而12f電磁力由11/13次氣隙磁場(chǎng)諧波組合產(chǎn)生。

圖8 r=0階空間電磁力波頻率特性

圖9 r=2p階空間電磁力波頻率特性

2.2 轉(zhuǎn)子不同斜極方式電磁力分布

線性連續(xù)斜極，相鄰兩段轉(zhuǎn)子疊片角度差為3.75°。V型斜極，第一段和第二段轉(zhuǎn)子疊片角度相差3.75°，成V字型，首末兩段疊片角度相同，如圖10所示。

(a) 線性斜極 (b) V型斜極

轉(zhuǎn)子斜極方式更改為V型后，確認(rèn)轉(zhuǎn)子模態(tài)未發(fā)生明顯變化，如圖11所示。

圖11 轉(zhuǎn)子頻響曲線

由仿真分析可見(jiàn)：線性斜極轉(zhuǎn)子12 p電磁力分布近似呈斜線型，頻率及力型與轉(zhuǎn)子模態(tài)頻率及振型耦合，引發(fā)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)共振；V型斜極轉(zhuǎn)子電磁力分布呈V型，在轉(zhuǎn)子模態(tài)頻率不發(fā)生明顯變化的情況下，電磁力分布有效避開(kāi)轉(zhuǎn)子振型，大大降低共振風(fēng)險(xiǎn)。如圖12和圖13所示。

圖12 線性斜極電磁力分布

圖13 V型斜極電磁力分布圖

3 V型斜極轉(zhuǎn)子優(yōu)化方案驗(yàn)證

針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min處48階噪聲峰值突變，制作兩臺(tái)搭載V型斜極轉(zhuǎn)子的電驅(qū)總成。

圖14 V型斜極轉(zhuǎn)子臺(tái)架48階噪聲

臺(tái)架驗(yàn)證結(jié)果如下：在電機(jī)問(wèn)題轉(zhuǎn)速1 800 r/min附近，48階噪聲峰值降低約23 dB(A)。此外在電機(jī)轉(zhuǎn)速3 100 r/min附近，48階噪聲峰值降低約 11 dB(A)，該優(yōu)化可能與諧波降低存在關(guān)聯(lián)。48階噪聲峰值得到有效降低。

4 總結(jié)

本文以某純電動(dòng)汽車(chē)低速行駛時(shí)存在的嘯叫噪聲為研究對(duì)象，采集整車(chē)加速工況及臺(tái)架上電驅(qū)總成升速工況的噪聲信號(hào)，分析問(wèn)題車(chē)速下嘯叫噪聲為轉(zhuǎn)子模態(tài)被激發(fā)導(dǎo)致48階噪聲存在明顯突變峰值，結(jié)合仿真分析，將轉(zhuǎn)子斜極由線性斜極優(yōu)化為V型斜極，有效降低了問(wèn)題車(chē)速下48階噪聲峰值，成功解決了客戶抱怨的問(wèn)題，也為后續(xù)新開(kāi)發(fā)車(chē)型的電機(jī)設(shè)計(jì)提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

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Optimization Analysisof Low Speed Whine of Electric Vehicle Based on V-shaped Shew Rotor

ZHENG Tao, LI Chengtao, DENG Yebao, ZHANG Qingjun, CHEN Shirong, LIU Qiang

( Zhejiang Leapmotor Technology Company Limited, Hangzhou 310051, China )

The low speed whine is raised in subjective evaluation of a self-developed electric vehicle. The analyzed results show that the 48th order noise which is excitated by electromagnetic force is the major contribution of the problematic whine. In order to solve the problematic whine, the rotor shew mode is optimized from linear shew to V-shaped shew. Experimental studies show that the 48th order noise can be optimized by using V-shaped shew rotor, the quality of noise is obviously improved.

Pure electric vehicle; Motor drive; 48th order noise; Problematic whine; V-shaped shew rotor

TB533+.2

A

1671-7988(2023)11-36-05

鄭濤（1987－），男，工程師，研究方向?yàn)樵肼暸c振動(dòng)控制，E-mail:zhengtaonuzj@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.007