某電動皮卡電機嘯叫分析與優化

羅軼超，鐘秤平，陳清爽，李少杰，繆明學

某電動皮卡電機嘯叫分析與優化

羅軼超1,2，鐘秤平1,2，陳清爽1,2，李少杰1,2，繆明學1,2

（1.江鈴汽車股份有限公司 產品技術開發中心，江西 南昌 330001； 2.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室，江西 南昌 330001）

某電動皮卡車在加速至60～100 km/h時，車內存在高頻嘯叫問題。針對電機激勵源，文章深入分析電機結構及制造過程，采用臺架試驗法研究制造過程參數磁塊磁通量公差、轉子疊壓厚度、轉子生產工藝對電機嘯叫的影響。針對整車傳遞路徑，采用有限元法分析傳動軸模態，模態試驗法測試電機端蓋模態，并確定其對電機嘯叫的影響。最后，通過端蓋模態提升、傳動軸軸管加吸音紙、改進電機轉子生產工藝，將車內電機48階嘯叫噪聲總體優化了6～10 dB(A)，有效解決了電動皮卡電機嘯叫問題。

電動皮卡；永磁同步電機；電機嘯叫；傳動軸模態；轉子生產工藝

隨著皮卡進城的解禁，皮卡電動化和乘用化趨勢日益明顯。電動皮卡車電機嘯叫屬于噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能問題，其主要由齒輪嚙合激勵和電機電磁激勵造成。齒輪嚙合激勵嘯叫控制方法與傳統車相同，主要為控制齒形參數和加工工藝[1-2]。電機電磁激勵主要包括齒槽轉矩和電磁徑向力波，其控制方法為電動車特有，仍在研究中。

國內外學者采用解析算法研究齒槽轉矩，推導出理想與非理想條件下的齒槽轉矩諧波表達式，提出轉子開輔助槽[3]、轉子斜極[4]、定子斜槽[5]等結構優化方法和定子諧波電流補償法[6]。針對電磁徑向力波，運用解析法和數值法研究電磁力和定轉子及殼體模態相互作用向外輻射的噪聲[7-8]。

目前多數研究主要集中于電機結構設計優化噪聲，未考慮電機制造過程參數控制以及整車邊界零件對電機噪聲的影響。

1 問題現象

某電動皮卡車在加速至60～100 km/h時，車內存在嚴重高頻嘯叫噪聲，此時電機轉速達到 1 900～2 800 r/min。如圖1所示，嘯叫噪聲的頻譜特征為電機轉頻的46、47、48、49、50倍頻噪聲能量帶，即48倍頻及其±1、±2倍邊頻，后續稱作48階及其邊頻噪聲。從坎貝爾頻譜圖中提取48階及其邊頻噪聲能量帶，階次寬度5階，形成48階階次噪聲曲線，該噪聲在1 500～2 300 Hz頻率段偏大，在1 590 Hz、1 840 Hz、2 130 Hz這3個頻率處存在峰值。

2 電機嘯叫分析

2.1 嘯叫測試診斷

某直驅電動皮卡動力傳動系由電機、傳動軸和后橋組成，如圖2所示。

1－電機；2－傳動軸；3－后橋；4－傳動軸中間支撐。

整車狀態下，在電機殼體、后橋、傳動軸中間支撐布置振動傳感器，在電機近場布置麥克風，采集噪聲及振動數據。如圖3所示，電機近場噪聲48階能量帶明顯，與車內噪聲特征對應，確定嘯叫來自電機激勵。

圖4為電機噪聲振動簡易測試臺架，近場麥克風布置在距離電機50 cm的位置。根據電機近場噪聲48階噪聲曲線可知，在頻率為1 590 Hz處的噪聲較小，與整車狀態噪聲不對應，整車路徑對該頻率噪聲存在放大的影響。

2.2 電機影響參數分析

2.2.1電機結構

驅動電機為永磁同步電機，定子齒槽數為48，轉子極數2為8。電機48階噪聲為電機的基本齒槽轉矩階次和電磁6階徑向力諧波激勵。如圖5所示，電機轉子采用8段式分段V字型斜極，即轉子等分為8段，每段轉子由硅鋼片和嵌在其中的8個磁極組成，其中每個磁極由兩塊磁塊組成。8段轉子鐵芯軸向疊在一起，使其磁極中心軸向線錯開成如圖5所示的V字排列，總斜極錯開角度為5.625°，相連段轉子磁極錯開1.875°。8段轉子鐵芯疊加后的總軸向長度為轉子疊壓厚度。

圖5 電機轉子結構示意圖

分段斜極已從設計上將電機理論電磁激勵最小化。下文將研究磁塊磁通量、轉子疊壓厚度、轉子生產工藝等制造參數對電機嘯叫噪聲影響。

2.2.2轉子磁塊磁通量公差影響

每段轉子鐵芯存在16塊磁塊，整個電機轉子總共有128塊磁塊，轉子各磁塊磁通量制造差異影響整個電機磁場的均勻性。

對磁塊磁通量進行檢測，分別按照設計名義磁通量的1%和5%公差挑選磁塊，并制作轉子疊壓厚度相近電機各3臺，在如圖4所示的電機臺架上測試噪聲，得到如表1所示的臺架上不同磁通量公差電機的48階噪聲峰值，1%磁通量誤差電機噪聲顯著比5%磁通量誤差電機噪聲小。

表1 不同磁通量公差電機的48階噪聲峰值

電機噪聲峰值/dB(A)磁通公差/% 1#801 2#811 3#801 4#825 5#845 6#855

2.2.3轉子疊壓厚度影響

電機每段轉子鐵芯的硅鋼片中有開槽，磁塊嵌入硅鋼片槽中后通過膠水固定。制造過程分段轉子疊加后，段與段之間存在間隙影響磁場均一性，用轉子疊加厚度評估間隙大小。

按相同的1%磁通量誤差控制制作1批電機，對轉子等效長度進行測量并記錄，挑選不同等效長度的電機在如圖4所示的電機臺架上測試噪聲，得到如表2所示的不同轉子等效長度電機的48階噪聲峰值，電機噪聲隨轉子有效長度增加顯著增大。

表2 不同轉子等效長度電機的48階噪聲峰值

電機噪聲峰值/dB(A)轉子疊壓厚度/mm 1#78201.7 2#79202.4 3#81203.1 4#76201.3 5#83203.6 6#88204.6

2.2.4轉子生產工藝分析

受制造精度限制，批量生產的磁塊磁通量公差只能控制在5%以內。為將單臺電機磁塊磁通量公差控制在1%以內，將磁塊磁通量進行檢測，并按照磁通量范圍分A、B、C、D、E、F共5檔，并分別標記放置。電機制造裝配過程中，同一電機只采用一個檔的磁塊。

每段轉子鐵芯厚度公差在25～25.15 mm，理論轉子鐵芯厚度在200～201.2 mm。如圖6所示，實際疊壓過程，分段轉子間存在間隙，實際轉子鐵芯厚度比理論厚度大，其大小受工藝影響。

圖6 實際轉子鐵芯厚度示意圖

原始轉子生產工藝依次為：配膠水點膠－入磁塊－單段鐵芯單獨固化－轉子疊裝壓緊－鎖止動螺母。該工藝單段轉子固化后表面殘留膠水將影響轉子端面平整度，進而影響實際轉子厚度。改進后轉子生產工藝為磁塊挑選分檔－配膠水點膠－入磁塊－轉子疊裝－鎖止動螺母－整個轉子烘烤固化。對理論厚度相同的轉子鐵芯，采用原生產工藝和改進工藝分別生產，并測試實際轉子鐵芯厚度。如表3所示，改進工藝生產的轉子鐵芯厚度比原工藝生產的小。

表3 不同工藝制造的轉子鐵芯厚度

轉子號轉子鐵芯厚度/mm 理論改進工藝原工藝 1#200.6201.6202.4 2#200.9201.7203.1 3#200.7201.3203.6 4#200.5201.4204.6

2.3 傳遞路徑分析

采用有限元法分析傳動軸模態，在問題頻率1 500～2 300 Hz內，總共有如表4所示的6個模態。

表4 傳動軸模態頻率

模態振型頻率/Hz模態振型頻率/Hz 前段軸4階呼吸1 611前段軸5階呼吸1 975 后段軸3階呼吸1 929后段軸3階彎曲2 123 前段軸4階彎曲1 944前段軸5階彎曲2 163

圖7 電機輸出軸側端蓋徑向呼吸模態

采用敲擊試驗模態方法，測試電機輸出軸側端蓋模態。如圖7所示，電機輸出軸側端蓋模態頻率為1 595 Hz，振型為端蓋沿徑向呼吸。電機端蓋徑向呼吸模態1 595 Hz和前段軸4階呼吸模態1 611 Hz相互耦合，對電機噪聲放大，導致電機嘯叫噪聲在頻率1 590 Hz出現峰值。

3 優化方案驗證

3.1 傳遞路徑優化

圖8為電機嘯叫傳遞路徑優化措施示意圖，包括端蓋優化及傳動軸軸管內增加3層吸音紙。將電機輸出側端蓋肋板寬度由10 mm改為15 mm，深度由2 mm改為4 mm，蓋板徑向呼吸模態頻率由1 595 Hz提升到1 691 Hz，避開前段軸4階呼吸模態1 611 Hz。在問題頻率段傳動軸模態較多，避頻較困難，故通過傳動軸內加3層吸音紙，衰減傳動軸向外輻射噪聲。如圖9(a)所示，端蓋優化及軸管內加吸音紙后，車內48階噪聲在1 590 Hz頻率降低4 dB(A)，在1 800～2 200 Hz頻率范圍整體降低2 dB(A)。

圖8 電機嘯叫傳遞路徑優化措施示意圖

3.2 電機工藝優化

將原始和改進后轉子生產工藝制造的電機安裝到同一臺車上，分別測試大油門加速至60～100 km/h時車內噪聲。如圖9(b)所示，相比于原始工藝電機，改進工藝電機的車內48階噪聲優化4～8 dB(A)。

圖9 車內電機48階噪聲優化效果圖

4 總結

針對某電動皮卡車加速至60～100 km/h時車內高頻嘯叫問題，綜合分析整車狀態電機近場噪聲、臺架上電機近場噪聲階次特征及峰值頻率，確定問題激勵源為電機電磁激勵，同時路徑上在特定頻率存在放大的影響。激勵源上，深入分析電機結構及制造過程，采用臺架試驗法研究了制造過程參數磁塊磁通量公差、轉子疊壓厚度、轉子生產工藝對48階電機嘯叫的影響，通過改進轉子生產工藝，車內嘯叫噪聲優化4～8 dB(A)。傳遞路徑上，分析了電機端蓋模態和傳動軸模態頻率，通過提升電機端蓋模態和軸管內加吸音紙，車內48階嘯叫噪聲優化2～4 dB(A)。最終有效解決了電動皮卡電機嘯叫問題。該問題的調查過程、分析思路及優化方案可為今后的項目開發及噪音優化提供一定的參考借鑒。

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Analysis and Optimization of Motor Whine in an Electric Pickup Truck

LUO Yichao1,2, ZHONG Chenping1,2, CHEN Qingshuang1,2, LI Shaojie1,2, MIU Mingxue1,2

( 1.Product Development Center, Jiangling Motors Company Limited, Nanchang 330001, China; 2.Key Laboratory of Automobile Noise and Vibration in Jiangxi Province, Nanchang 330001, China )

When accelerating to 60～100 km/h, a high-frequency whine problem occur in an electric pickup truck. For motor excitation source, the structure and manufacturing process are deeply analyzed in this paper, and the influence of magnetic block flux tolerance, rotor thickness and rotor manufacturing technology on motor whine is studied. For the vehicle transmission path,the influence on motor whine of drive shaft mode and motor end cover mode is analyzed by finite element method and experimental modal method. Finally, by improving frequence of motor end cover mode, adding sound-absorbing paper to drive shaft tube and improving the manufacturing process of rotor, the 48th order motor noise in vehicle is optimized by 6～10dB(A), which effectively solves the motor whine problem of the electric pickup truck.

Electric pickup truck;Permanent magnet synchronous motor; Motor whine; Drive shaft mode; Rotor manufacturing technology

TB533

A

1671-7988(2023)20-05-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.002

羅軼超（1989－），男，碩士，高級工程師，研究方向為動力傳動系NVH，E-mail:yluo17@jmc.com.cn。

南昌市重大科技攻關項目（洪科字〔2023〕137號）。