混合动力汽车电机噪声分析和降噪设计

1引言

电动汽车与传统汽车相比结构差异较大，传动系统及其运行模式作了改变，致使整车的振动噪声与传统车相比具有新特点，传动系统在不同模式下表现出不同的NVH问题[1，2]，使得振动噪声的控制更为复杂，较低的背景噪声使得原来传统汽车中被掩盖的噪声凸显出来，电机的高频电磁噪声会严重降低车内噪声的声音品质，同时降低乘坐舒适性，另外，电机的高扭矩和高转速特性对齿轮系统的高频啸叫噪声控制提出了新挑战，电动汽车动力总成振动噪声问题不单单是发动机和变速器的结构噪声和燃烧噪声问题，传动结构的变化导致发动机、电机、齿轮系统之间耦合振动更为复杂，目前电动汽车NVH研究的相关文献较少，振动噪声设计应该是正向设计而不是反向设计，振动噪声问题应该在设计阶段就行杜绝和优化，而不是出厂和售后问题。本文以某开发过程中的混合动力轿车动力总成为研究对象，对其开发过程中电机高频噪声过大问题进行正向设计，采取优化措施，提升了该电机的NVH性能，其声品质有大幅提高，对工程实际有指导意义。

2问题描述及NVH测试
该车型的动力传动系由发动机、行星齿轮系统、主电机、电池组、后驱电机组成（图1），样车在试车阶段纯电动模式驱动时电机转速6250rpm时，驾驶室存在高频电磁噪声，车内噪声主观评价较差，声品质较差,另外起步阶段电机的高频电磁噪声同样较大。该电机为8极48（极对数p=4）槽同步电机，该混合动力汽车的动力传动系简图如下所示：



图2为电机振动噪声测试实验台，在电机的右侧距离外壳1m处布置传声器，在壳体中间位置安装三向加速度传感器，利用LMS TEST.LAB振动噪声测试系统，主要测试在全负荷300Nm时按照500rpm/s的升速速率，采集电机振动噪声随电机转速的变化规律。






由图3-图5可知前驱电机的24阶和48阶为主要噪声源，其中48阶的噪声贡献最大，特别是在6250rpm时达到峰值，由于频率达到5000Hz，产生“刺耳”的高频电磁噪声。满载300Nm时48阶的噪声水平与总体overall level的噪声水平持平，达到100dB（A）要降低电机的整体噪声必须降低48阶的噪声贡献量。

为了进一步了解系统的动态固有特性，对电机定子进行了自由模态测试，结果见图6。



前九阶模态频率是：600Hz，849Hz，1550Hz，1833Hz，2867Hz，3291Hz，3148Hz，4686Hz，5148Hz，48阶在6250rpm时激励频率与第九阶模态频率接近，定子在径向力波的作用下处于共振状态。

3电机噪声的计算及降噪措施
同步电机的噪声具有以下特点:
(1)定子和转子合成磁场基波产生的振动，该振动具有电网的2倍频率，振动的幅度正比于气隙磁密的平方；
(2)由于任何一对定子磁势建立的磁密为Bv的旋转波和转子磁势建立的磁密位Bu的旋转波相互作用会产生较高频率的振动，它们当中最强的是齿谐波；
(3)在考虑相互作用的磁场Bv、Bu时必须注意只是产生最大力波的磁场，及振动力波次数最小的谐波。

3.1电机噪声计算




定子一阶齿谐波-44时：




由于定子和转子之间力波周期性振动，当该激励频率与电机转子和定子固有频率重合时会激发更大的噪声，要降低48阶的噪声辐射，从两个方面考虑，一是降低激振力，二是改变固有频率，由于电机的转速范围较广，通过定子加筋板，优化模态，但是固有频率偏移幅度较小，在固有频率偏移幅度不大的情况下，是无法根本上降低噪声，因此我们考虑降低激振力，也就是转子和定子之间相互径向作用力。




3.2电机噪声的抑制措施及效果
该电机转子有8极，我们采取在转子每极增加3个小槽，增加小槽改变了磁密的大小，通过CAE仿真得出的定子和转子相互作用径向力幅值对比（48阶在6250rpm时）见图7



图7 转子开槽和不开槽48阶径向力对比

对于8极48槽3相电机来说,只需计算第1和第2槽两个槽的转子和定子之间的径向力，其它46齿与2齿有共同规律，计算结果如图8和图9。





从图8和图9可见径向力明显减小了,通过噪声测发现表面振速幅值降低约37%，通过测试其噪声水平也大幅降低。虽然激振频率还是5000Hz，但是由于48阶的径向力和总的径向力大幅度下降，振动能量降低了，定子壳体表面振动辐射的声压级也大幅下降，最终降低了噪声辐射水平和达到了改善声品质的目的。

本文通过试验和仿真相结合对其开发过程中电机高频噪声过大问题进行正向设计，通过优化转子结构，降低了转子定子径向力激振力，最终提升了该电机的NVH性能，其声品质有大幅提高，对工程实际有指导意义。

参考文献：
[1]赵彤航，卢炳武等.混合动力轿车振动噪声控制技术[J] .吉林大学学报，2012，42（6）1373-1377
[2]庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动-理论与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2006
[3] и .г .舒波夫. 电机的噪声和振动[M].北京：机械工业出版社，1980
[4]于慎波.永磁同步电动机噪声与振动特性的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2006
[5]Jacekf. Gieras，Chong Wang and Joseph Cho Lai，Noise of Polyphase Electric Motots[M]. CRC press，2006.