某純電動汽車驅動電機噪聲分析與優化

劉小華，莫崇衛，蔣 帥，黃 偉，廖金深

（湖南獵豹汽車股份有限公司，長沙410100）

隨著國家對排放和新能源積分的要求，以及國家補貼政策的引導，純電動汽車成為當前汽車領域研究的熱點。其與傳統燃油車最主要的差異是動力系統由三電（電池、電機和電控）系統替代發動機燃油系統，使得整車NVH問題的研究對象和研究方法都發生較大變化。電動汽車驅動電機和減速器等動力系統的振動和噪聲問題也成為當下研究的熱點。

對于減速器的振動噪聲問題分析與優化方法已日趨成熟，徐忠四[1]、溫國慶[2]、Yu P[3]等通過齒面修形法、傳遞路徑結構優化等方法，大大改善了車內減速器的嘯叫噪聲。而驅動電機的振動噪聲問題研究側重于傳遞路徑的優化，張守元[4]、車勇[5]、Cogswell J A[6]等通過對車輛的懸置結構、聲學包等方面優化，來改善整車噪聲，但未從根本上改善驅動電機的振動與噪聲。

整車NVH問題一般從源-路徑-響應3個方面進行綜合分析，基于路徑響應的NVH 性能管控，主要是對車身相關模態、動靜剛度、傳遞函數等指標的控制，但這會帶來因車身鈑金模具變更帶來的費用增加和周期延長的風險。本文從激勵源入手來進行問題剖析和整改。針對某國產小型純電動汽車在40 km/h～80 km/h全加速工況下車內噪聲較大問題，以驅動電機為主要研究對象，通過其噪聲的構成分析和電機機理分析，提出了有效的電機殼體結構優化方案和電機控制策略優化方案，并采用零部件臺架試驗和整車臺架試驗進行逐級驗證，有效降低了驅動電機本體的噪聲，大大改善了整車的NVH表現。

1 整車噪聲測試及噪聲源分析

在整車NVH性能主觀評價試驗中，全加速工況下40 km/h～80 km/h速度區間駕駛員內耳處存在明顯的嘯叫噪聲，初步判定為驅動電機嘯叫。為了獲得準確的噪聲數據，根據整車NVH道路試驗規范開展試驗，使用LMS公司的測試設備進行整車噪聲客觀測試，麥克風測點的布置位置如下圖1所示。

圖1 整車狀態測點布置位置圖

分別為主駕內耳測點和驅動電機近場測點。同時，通過整車CAN總線信號讀取電機的轉速信號和車速信息。樣車在全加速工況下，2個測點的噪聲聲壓曲線和瀑布圖結果見圖2和圖3。

圖2隨著電機轉速增加，駕駛員內耳與電機近場噪聲同步上升，且兩測點噪聲值總體變化趨勢基本一致，電機近場噪聲聲壓級比駕駛員內耳處平均高30 dB(A)左右。圖3(a)、圖3(b)中噪聲瀑布圖特征可知，在電機轉速1 000 r/min～6 000 r/min（車速14.3 km/h～85.7 km/h）范圍內，駕駛員內耳噪聲和電機近場噪聲主要表現為48階，人耳對該高頻段的噪聲非常敏感，會嚴重影響使用者的駕乘體驗。

圖2 主駕內耳與驅動電機近場測點聲壓曲線圖

因此，綜合對比整車和電機的噪聲聲壓曲線趨勢、以及兩者的噪聲瀑布圖特征，確定整車WOT 工況下駕駛員內耳噪聲主要由驅動電機引起。

2 驅動電機的噪聲機理分析與臺架測試

2.1 驅動電機噪聲機理分析

本文小型純電動汽車搭載的永磁同步電機，該類型電機具有高效率、高力矩慣量比、高能量密度及低速大扭矩等優點。電機的基本參數如表1所示。

對于永磁同步電機，電機的振動噪聲主要是由定轉子諧波磁場相互作用引起[7]，定子磁場力波次數μi和轉子磁場力波次數λj分別為

式中：P為極對數，本文為4，m、n為系數。

定子和轉子諧波磁場相互作用產生的徑向力波次數r為

從式（1）和式（2）中可知定子會產生5 次和7 次等諧波磁場，轉子會產生3 次、5 次和7 次等諧波磁場，式（3）中可知定轉子相互產生的電機徑向力波次數等于0或2P的整數倍，電機氣隙基波階數為0、8、16、24…。

圖3 測點噪聲瀑布圖

表1 電機的基本參數

此外，本文永磁同步電機因采用常規的PWM逆變器進行驅動控制，會導致電機產生一個正弦電流波形的缺陷，電機電流波形中會產生開關頻率附近的高頻電流諧波[8]。由逆變器輸出的正弦波經過傅里葉級數分解得到一系列諧波fc±kfr，式中系數k=2,4,6,…，fc為開關頻率，fr為調制波頻率。因此，電機會產生基于開關頻率的諧波頻率噪聲。

綜上所述，該驅動電機的噪聲主要由定轉子諧波磁場和PWM逆變器正弦波電流引起。

2.2 驅動電機零部件臺架測試與分析

為進一步分析電機本體的噪聲組成，本文基于電機臺架試驗采集詳細的電機噪聲和振動數據。根據零部件臺架試驗規范，麥克風布置在電機正上方（UP測點）和后端蓋后方測點（REAR測點），振動傳感器布置在電機殼體側邊正中間，測點布置如圖4所示。

通過臺架試驗模擬整車全加速工況，獲得電機在測點位置的噪聲測試結果見圖5。

由圖5中電機臺架試驗近場噪聲瀑布圖可知，圖中有明顯的基于8 階倍數的高亮斜線，在24 階和48 階噪聲處高亮斜線最明顯，同時在8 000 Hz 處出現明顯的煙花狀高亮線條。結合電機噪聲機理分析，基于8 階倍數的高亮斜線為由氣隙基波磁場引起的2P階次噪聲；煙花狀高亮線條為電機開關頻率所激發的諧波頻率噪聲。其中，第24階和48階噪聲為主要噪聲源，作為重點分析對象，提取相應階次聲壓級結果見圖6。

圖4 臺架試驗測點布置圖

圖5 電機臺架試驗近場噪聲瀑布圖

對比兩測點噪聲聲壓級，電機在1 000 r/min～7 000 r/min 轉速范圍內聲壓級大小有：總噪聲＞48階噪聲＞24階噪聲。因此，電機噪聲主要由48階噪聲貢獻，其次為24階噪聲。

綜上所述，該電機噪聲主要由兩部分構成：結構引起的48階噪聲和開關頻率引起的諧波頻率噪聲。

3 驅動電機的優化方案與驗證

3.1 驅動電機結構優化

3.1.1 結構優化方案

對電機階次噪聲而言，激勵源是定子和轉子間諧波磁場相互作用。為分析噪聲的產生與傳遞過程，對電機內部結構進行分析，該電機內部結構示意如圖7所示，其噪聲產生與傳遞過程如圖8所示。

圖6 電機臺架試驗噪聲曲線

圖7 電機內部結構示意圖

圖8 電機噪聲傳遞路徑

圖7和圖8中電機噪聲傳遞路徑，可知電機殼體是電機噪聲傳遞的關鍵路徑。綜合成本與可行性因素，本文從電機殼體結構入手，降低電機的振動和噪聲。

為提高電機殼體的減振降噪性能，通過提升電機殼體剛度或模態，減小階次噪聲引起的殼體振幅，從而降低噪聲。電機殼體的原始方案如圖9左所示，運用HyperWorks軟件搭建電機殼體有限元模型并進行模態分析[9]，其1 階模態為1 090.5 Hz。通過工藝及制造可行性分析，電機殼體優化前后方案對比如圖9和表2所示。優化前后模態對比結果如下表3所示。

圖9 電機殼體原始方案與優化方案

表2 電機殼體優化方案參數對比表/mm

從表3中可見，電機殼體優化方案對其前7～12階模態頻率均有明顯提升，模態頻率比原方案提高了193.4 Hz～666.4 Hz，提升率13.2 %以上，且殼體內壁壁厚的增加對降低電機輻射噪聲的傳遞具有較好的效果。

3.1.2 驅動電機單體試驗驗證

為驗證電機優化方案與原方案的噪聲效果，開展電機單體臺架試驗，對比優化前后電機的噪聲和振動數據如圖10、圖11所示。

對比兩測點噪聲聲壓級結果，優化方案較原始方案噪聲總體下降2 dB(A)～8 dB(A)，得到較明顯的改善。在圖11中，電機殼體的X向振動加速度在結構優化后下降明顯，在轉速2 600 r/min 左右其加速度峰值由7.30 g 降至2.01 g，Y向和Z向振動加速度也均有下降。因此，該結構優化方案能有效改善電機的振動噪聲。

表3 電機殼體模態仿真結果對比

圖10 優化前后電機噪聲總聲壓級對比

圖11 優化前后電機殼體振動結果對比

3.2 驅動電機控制策略優化及驗證

永磁同步電機采用固定開關頻率PWM 調制時，電機會產生高頻諧波噪聲。為抑制開關頻率處的高頻諧波電流，工程應用通常采用提高PWM 開關頻率或隨機擴頻調制策略。提高PWM 開關頻率可以使高頻諧波噪聲平移至更高的頻率，一定程度抑制了高頻噪聲，但又會帶來一系列問題，如功率器件應力的增大、器件損耗的增加、電氣隔離失效以及電磁干擾等問題[10]。而隨機擴頻調制策略是通過改變載波頻率，將系統集中的諧波擴展到更寬的頻帶范圍內，從而降低諧波峰值，改善高頻諧波噪聲。

綜合上述分析，提出電機控制策略的優化方案：修改固定開關頻率（8 kHz）為隨機PWM 頻率，正弦波周期頻率調制比γ=1，擴頻寬度為1 kHz。開展電機的零部件臺架試驗，測試結果如圖12所示。

圖12中原始方案在8 000 Hz 和16 000 Hz 處出現明顯的煙花狀高頻諧波頻率噪聲，而優化方案中高頻諧波頻率噪聲被打散，噪聲的頻率更加分散。所以基于開關頻率調整的優化方案合理有效。

圖12 電機控制策略優化前后方案噪聲瀑布圖

4 整車綜合優化驗證

驅動電機優化后搭載整車進行道路試驗。在全油門工況下，對比電機優化前后在不同轉速下駕駛員內耳噪聲總聲壓曲線和48 階聲壓級曲線如下圖13（a）所示。通過圖形可以看出，駕駛員內耳噪聲得到明顯改善，總聲壓級比改進前降低了2 dB(A)～5 dB(A)，48階聲壓級下降了約30%。圖13（b）駕駛員內耳噪聲瀑布圖在48階噪聲處無明顯高亮斜線，階次噪聲得到明顯改善。

5 結語

本文以純電動汽車為研究對象，針對加速噪聲過大問題，通過對其主要噪聲源—驅動電機的優化設計，并嚴格按照零部件臺架試驗和整車試驗逐級驗證，得到以下結論：

（1）通過測試的聲壓圖和瀑布圖綜合分析，同時結合永磁同步電機噪聲生成的機理分析，確認電機噪聲主要由階次噪聲和高頻諧波頻率噪聲構成。

（2）針對不同的噪聲產生機理，提出了電機殼體結構仿真優化和電機控制策略優化方案。利用有限元模態仿真將電機殼體的1階模態由1 090 Hz提升至1 408 Hz，修改固定開關頻率（8 kHz）為隨機PWM 頻率。通過改進方案前后整車噪聲的測試數據對比，結果表明電機48 階噪聲聲壓級下降約30%，車內噪聲聲壓級降低了2 dB(A)～5 dB(A)，全加速工況下，整車無明顯的電機嘯叫噪聲，大大提升了車內聲品質。

圖13 整車噪聲對比結果

（3）本文從整車噪聲源入手，通過對電機結構和控制策略的優化，并利用試驗驗證充分論證了方法的合理有效性，對電動汽車電機嘯叫問題的正向開發及電機的零部件單體指標控制都有較大的參考借鑒意義。