電動汽車永磁同步驅動電機振動噪聲建模與分析

寧興江

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電動汽車永磁同步驅動電機振動噪聲建模與分析

寧興江

（愛馳汽車（上海）有限公司，上海 200090）

某純電動樣車在試驗過程中被抱怨驅動電機噪聲問題。針對該問題，首先進行永磁同步驅動電機的振動噪音機理分析，建立以轉速為輸入信號和以噪聲頻率與階次為輸出信號的電機振動噪聲理論模型，并推導出A聲級噪聲理論譜線；其次，進行被測永磁同步的電機振動噪聲測試，得出A聲級噪聲試驗譜線；最后，對比理論模型預測和測試結果，驗證了模型的正確性，并識別被測永磁同步電機異常噪聲源。該模型與試驗相結合可以快速識別永磁同步電機的異常振動噪聲源。

電動汽車；永磁同步電機；振動噪聲；噪聲理論譜線；噪聲試驗譜線

前言

近年來，石油能源安全與環境污染問題日益突顯，且受國家排放標準日趨嚴格、補貼政策拉動，電動汽車產業快速發展。電動汽車尤其是純電動汽車的噪聲問題日益引起廣泛關注，諸多品牌的電動汽車均遇到了振動與噪聲的問題或用戶抱怨。

在常用的城市工況（0-80km/h）下，純電動汽車一般500Hz以上的中高頻噪音較為明顯，而傳統車輛一般為500Hz以下噪音[1]。中高頻噪音尖銳刺耳，有明顯的“嘯叫”聲，通常讓人產生強烈的不適感。相比于傳統動力汽車，純電動汽車噪聲的差別主要在于電驅動總成的噪音，本文的研究對象是驅動電機的振動和噪聲。

市場需要企業快速推出高品質的電動汽車，研發周期縮短，這就亟待研發人員能夠快速得分析，識別并解決電動汽車噪音問題。為了快速得分析，識別電動汽車驅動電機的振動和噪聲問題，文獻[2-4]提出了永磁同步電機噪聲源識別與診斷的黑箱建模技術，并以外轉子輪轂電機為研究對象進行建模和試驗。文獻[5]對車用驅動電機的磁場進行分析，推導出正弦波供電和變頻器供電條件下電機振動噪聲源的特征頻率，也測試分析了由定轉子諧波磁場引起的電磁噪聲。但未對電機的噪音源包括機械噪聲源進行分析和診斷。文獻[6]通過測試得到了電機在3000r/min工況下的穩態噪聲頻譜圖，驗證了電磁噪聲是電機噪聲的主要來源。但未對其電磁噪聲源進行進一步細分，識別。

本文以高速內轉子永磁同步驅動電機為研究對象進行電機噪聲源識別與診斷的建模和試驗。首先，進行電動汽車永磁同步驅動電機的振動噪音機理分析，推導出以轉速為輸入信號和以噪聲頻率與階次為輸出信號的電機振動噪聲模型，并預測A聲級理論譜線；其次，進行被測電機振動噪聲試驗，得出空載時，不同負載時加速工況和勻速工況下的電機振動加速度、噪聲等信號，得到電機振動和噪聲的階次和幅頻特征；最后，對比理論模型預測和測試結果，驗證理論模型的正確性，并結合主觀評價確定異常振動噪音工況，進而識別被測電機的異常噪聲源。

1 永磁同步電機振動噪聲理論模型

永磁同步電機主磁通主要沿徑向進入氣隙，并在定子和轉子上產生徑向力，引起定子和轉子振動，從而產生電磁噪聲。

本部分利用永磁同步電機氣隙磁密公式，應用麥克斯韋張量法建立了徑向力波解析模型，并根據其多自由度機械運動方程求解出電機的振動噪聲響應。

1.1 氣隙磁密

永磁同步電機氣隙磁密由永磁體磁場和正弦波電流電樞反應磁場相互作用產生[7]：

式中，b為永磁體氣隙磁密，b為電樞反應氣隙磁密。

永磁體氣隙磁密可表示為：

電樞反應氣隙磁密可表示為：

式中，B為第次電樞反應諧波磁密幅值。

由式（1）、（2）、（3）可得：

1.2 徑向力波

理想的永磁同步電機是指通入正弦波電流，且無其故它故障的電機。產生振動噪聲的激勵力主要是徑向力波[7]：

式中，P為徑向力波，為定子空間角度，0為真空磁導率，為氣隙磁密。

由式（4）、（5）推導可得電機的徑向力波公式（6）。

1.3 振動噪聲響應及其頻率

永磁同步電機的電磁力激勵外定子或外轉子，產生振動，進而輻射噪聲。其個自由度機械運動方程[8]可表示為式（7）。

式中，q（）是t時刻模態坐標系下的節點位移，Φ是第階模態振型，（）是時刻節點力，[]、[]、[]分別是質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣。

根據杜哈梅積分得系統在模態坐標下的響應[8]為：

式中，ζ為第階固有振型的模態阻尼比，ω為無阻尼系統的第階模態頻率，ω為有阻尼系統的第階模態頻率，且：

由式（8）可知，永磁同步電機外定子或外轉子在激勵力作用下的響應由兩部分組成：以頻率為有阻尼模態頻率ω的自由衰減振動的解和以與激勵力頻率相同的受迫振動的解。

因此，要建立以轉速為輸入信號和以噪聲頻率與階次為輸出信號的振動噪聲響應理論模型，也即是建立以轉速為輸入信號和以有阻尼模態頻率與激勵力頻率為輸出信號的理論模型。

1.4 理想永磁同步電機的振動噪聲響應及其頻率

式中，為轉速，為電源頻率。

由式（6）和式（10）可得以轉速為輸入信號和以激勵力頻率為輸出信號的關系式（11）：

式中，∈*，∈*，且≠。

1.5 異常振動噪聲

除了理想永磁同步電機的振動噪聲響應外，還存在由時間諧波電流、標準PWM載波頻率、轉子偏心、滾動軸承及共振等引起的異常振動噪聲[3][9]。

2 電機A聲級噪聲理論譜線

基于上述模型，應用軟件[10]，對本項目中的4對極內轉子永磁同步電機的A聲級噪聲進行預測。考慮理想永磁同步電機、時間諧波電流、滾動軸承、開關頻率、固有頻率的影響，噪聲預測譜線如圖1- 5所示。綜合這幾個因素的預測譜線如圖6所示。

圖1 理想永磁同步電機的噪聲理論譜線

圖2 考慮時間諧波電流的噪聲理論譜線

圖3 考慮滾動軸承不圓度的噪聲理論譜線

圖4 考慮開關頻率的噪聲理論譜線

圖5 考慮計算模態的噪聲理論譜線

圖6 考慮以上因素的綜合的噪聲理論譜線

3 電機振動噪聲測試與分析

通過驅動電機振動噪聲臺架試驗，測試空載時，不同負載時加速工況和勻速工況下電機轉速、振動加速度、噪聲等信號，得到電機振動和噪聲的階次和幅頻特征，驗證電機噪聲理論譜線是否正確。并應用電機振動噪聲理論模型初步診斷驅動電機異常噪聲源和及工況。

3.1 試驗工況

按表1所設置的工況運行電機，采集振動加速度、噪聲、三相電流、轉矩和轉速。其中加速工況連續測試可以反映該轉速范圍內連續的電機噪聲特性。

表1 試驗工況表

3.2 電機安裝方式與傳感器布置

電機空載運行時安裝方式[11]與加速度傳感器測點布置如圖7所示：

圖7 空載時加速度傳感器測點布置

電機帶載運行時安裝方式[11]與加速度傳感器測點布置如圖8所示：

圖8 加載時加速度傳感器測點布置

加速度傳感器用膠水粘貼在電機表面，聲速探頭安裝在電機正上方2cm處。聲速探頭又名p-u探頭，一種用于測量物體近場噪聲的傳感器，其原理為通過測量兩束超聲波的相位差，以捕捉指質點速度，進而推出物體表面的噪聲聲壓級和聲強。多用于背景噪聲較大的場合。

部分加速度傳感器和聲速探頭布置如圖9所示。

圖9 部分加速度傳感器和聲速探頭布置

3.3 試驗臺架

本試驗采用了聲速探頭，可不考慮背景噪聲，采用高精度普通電機試驗臺架直接測量電機近場噪聲。

圖10 電機振動噪聲試驗臺架

3.4 試驗結果分析

轉矩為100N.m加速工況下電機噪聲A聲級譜線繪制如圖11所示。圖11和圖6的相似度很高，包括理想永磁同步電機、時間諧波電流、滾動軸承、開關頻率及共振產生的噪聲譜線，證明了電機振動噪聲理論模型的正確性。并可判斷該永磁同步電機的異常噪聲源主要有：時間諧波電流、滾動軸承、開關頻率、固有頻率。

圖11 噪聲試驗譜線

4 異常噪聲工況下電機振動、噪聲分析

根據本項目的電機噪聲主觀評價結果，噪聲煩躁度的最惡劣工況為（5800rpm，100N.m）和（6000rpm，100N.m），主觀煩躁度達最大值，評價主體非常煩躁。兩者情況類似，本節針對前一種工況進行電機振動和噪聲分析。當轉速為5800rpm時，驅動電機轉動頻率為96.7Hz，驅動電機的電源頻率為386.7Hz。

4.1 異常噪聲工況下電機振動分析

在轉速為5800rpm、轉矩為100N.m時，電機A4點的振動加速度頻譜如圖12所示，可見：

（1）當頻率為772.5Hz、1548Hz、2320Hz、3093Hz、3868Hz、4640Hz時，亦即當頻率為電源頻率的偶數倍時，驅動電機A4點的振動加速度幅值較大。這與我們理論推導結果式（10）相符。

（2）當頻率為96.7Hz、193.4Hz、290.1Hz、386.8Hz、……時，亦即當頻率為轉動頻率的整數倍時，驅動電機A4點的振動加速度亦有幅值。這可能由滾動軸承、時間諧波電流等情況引起。

圖12 電機A4點的振動加速度頻譜圖

4.2 異常噪聲工況下電機噪聲分析

A聲級頻譜如圖13所示，將圖13中的5800rpm時的電機噪聲A聲級頻譜提取出來，如圖14。轉速為5800rpm、轉矩為100N.m時，電機A4點正上方2cm處噪聲A聲級的總聲壓級為81.19dB(A)，可見：

（1）當頻率為773.4Hz、1547Hz、2320Hz、3094Hz、3867Hz、4639Hz時，亦即當頻率為電源頻率的偶數倍時，驅動電機A4點正上方2cm處的A聲級幅值較大。這與理論推導結論公式（10）相符，由正弦波電流引起。

圖13 部分噪聲試驗譜線

圖14 電機A4 點上方2cm處噪聲頻譜圖

（2）當頻率為96.7Hz、193.4Hz、290.1Hz、386.8Hz、……時，亦即當頻率為轉動頻率的整數倍時，驅動電機A4點正上方2cm處的A聲級亦有幅值。這可能由滾動軸承、時間諧波電流等情況引起。

4.3 異常噪聲發生工況下聲源探測

轉速為5800rpm、轉矩為100N.m時分析聲速分布，如圖15所示，可知此工況下，端蓋為主要聲源。

圖15 轉速為5800rpm、轉矩為100N.m時聲速分布圖

5 結論

本文進行了電動汽車永磁同步驅動電機的振動噪音機理分析，建立以轉速為輸入信號和以噪聲頻率與階次為輸出信號的電機振動噪聲理論模型，并推導出A聲級理論譜線。測試永磁同步電機振動噪聲，并驗證理論分析的正確性，識別被測電機的異常噪聲源。

簡化了永磁同步電機噪聲的分析過程，可以快速分析定位電機噪聲的產生原因，為其它類似項目的開發奠定了基礎。

[1] 車勇,劉浩,郭順生等.基于聲學包設計的純電動汽車車內噪聲優化[C].2013中國汽車工程學會年會論文集. 2013:1446-1448.

[2] Ma Conggan, Zuo Shuguang. Black-box Method of Identification and Diagnosis of Abnormal Noise Sources of Permanent Magnet Synchronous Machines for Electric Vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014, 61(10): 5538-5549.

[3] 馬琮淦.電動汽車用永磁同步電機非線性電磁振動和異常噪聲研究[D].上海:同濟大學, 2014: 115-130.

[4] Conggan Ma, Qinghe Liu, et al. A Novel Black and White Box Method for Diagnosis and Reduction of Abnormal Noise of Hub Permanent-Magnet Synchro, IEEE TRANSACTIONS ON INDUST -RIAL ELECTRONICS,2016 (2),VOL.63,NO.2.

[5] 宋志環,車用驅動電機電磁振動噪聲源診斷技術[J],電機與控制應用,2018,45（7）.

[6] 岳東鵬,夏洪兵,高輝.電動汽車驅動電機電磁噪聲的仿真分析[J],噪聲與振動控制,2018年4月,第38卷,第Z1期.

[7] Gieras J F, Wang C, Lai C. Noise of Polyphase Electrical Machine [M]. Boca Raton: CRC Press, 2006.

[8] Singiresu S. Rao. Mechanical Vibrations, Fourth Edition[M].New Jersey: Pearson Prentice Hall,2004.

[9] Xu Y, Yuan Q, Zou J, et al. Analysis of Triangular Periodic Carrier Frequency Modulation on Reducing Electromagnetic Noise of Per -manent Magnet Synchronous Motor[J]. IEEE Transactions on Mag -netics. 2012, 48(11): 4424-4427.

[10] 劉瀾濤,寧興江,馬琮淦等.內轉子永磁同步電機噪聲源識別軟件. 計算機軟件著作權,2016年7月,登記號:2016SR329952.

[11] GB/T 10069.1-2006旋轉電機噪聲測定方法及限值第1部分:旋轉電機噪聲測定方法[S].

Modeling and Analyzing of Vibration& Noise of Driving PMSM of Electric Vehicle

Ning Xingjiang

( AIWAYS (Shanghai) Automobile Co., Ltd, Shanghai 200090 )

Noise of driving motor of a pure electric prototype vehicle was complained while testing. Three steps were implemented in order to diagnose and identify the sources of noise. Firstly, the mechanism of vibration& noise of PMSM was analyzed, the theoretical model of PMSM vibration& noise with relationship between input rotation speed and output noise frequency & order was established. Theoretical spectrum lines of PMSM noise of A-weighted sound level was deduced simultaneously. Secondly, the vibration& noise of the PMSM was tested, experimental spectrum lines of noise of A- weighted sound level was disclosed. Finally, the theoretical model is proved by comparison of theoretical predictions and experimental results. And the noise resources are diagnosed and identified too. Thus the theoretical model combine with experiment can identify the abnormal noise resources of PMSM quickly.

electric vehicle; PMSM; vibration& noise; theoretical spectrum lines of noise; experimental spectrum lines of noise

A

1671-7988(2019)03-13-05

U469.72

A

1671-7988(2019)03-13-05

U469.72

寧興江（1980-)，男，碩士，工程師，任愛馳汽車（上海）限公司電驅動與充電總監。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.004