電動車電磁噪聲控制技術研究綜述

顧凱峰

（重慶交通大學機電與車輛工程學院）

隨著人們環保意識的不斷增強，新能源汽車技術的發展越來越受到消費者和生產商的關注，而電動車是最具潛力的新能源汽車。電動車的動力來源僅依靠車載電池，同時動力傳遞總成較少，要具有高速行駛的能力，需要很大的電動機來增大扭矩。電動機在工作過程中會產生較高的電磁噪聲和振動，不僅對環境造成污染，對駕駛員以及乘客的安全也非常不利。在此背景下，電動車的NVH 性能逐漸成為其研發過程中的重要指標之一?；诖?，文章對國內外電動車研究現狀所面臨的一些問題進行總結，重點分析了國內外有關電磁噪聲控制技術方面的研究。

1 電磁及電磁噪聲概述

英國物理學家麥克斯韋在19 世紀根據電磁感應定律提出了電位移的概念，并將該名詞推廣到真空電場中，提出了麥克斯韋方程組，對變化的電磁場進行描述。文獻[1]通過麥克斯韋方程組分別對永磁體磁密、電樞反應磁密[2]、定子齒槽效應[3]、負載下的合成氣隙磁密4 種情況進行分析[4]。文獻[5]根據麥克斯韋張量方程推導了徑向電磁力的解析模型，計算出的結果與有限元分析結果十分接近。文獻[6]建立復數比磁導模型時，將氣隙磁密畸變通過磁導實部和虛部考慮在內，來反映齒間處磁密和電磁力的變化?，F有的氣隙磁密和電磁力解析計算模型能達到較高的精度，然而對于內置式且具有一定復雜形狀永磁體的電機，由于其具有復雜的磁路，目前為止最普遍的方法還屬有限元法。

電磁噪聲是由電磁場交替變化而引起某些機械部件或空間容積振動而產生的噪聲。常見的電磁噪聲產生原因有線圈和鐵心空隙大、線圈松動、載波頻率設置不當、線圈磁飽和等。無論在任何條件下，只要電流存在，都會產生電磁噪聲。電動車在行駛過程中，電動機工作產生的電磁噪聲給駕駛員的感受是最直接的。電動車與傳統汽車類似，也是由激勵源、振動傳感器、噪聲發射器三大系統組成，與傳統汽車不同的是，電動車的激勵源主要來自電動機。相較于傳統汽車發動機噪聲而言，電動車的電動機噪聲頻率更高，因此電動機噪聲對整車的乘坐舒適性有重大影響。該噪聲主要是電磁噪聲、機械噪聲以及電動車存在的少部分氣動噪聲。由于電動車驅動電機一般采用水冷，因此氣動噪聲基本可以忽略，機械噪聲與一般旋轉機械的噪聲研究類似。因此文章主要總結國內外驅動電機動力總成的電磁噪聲控制技術。

2 電磁噪聲控制技術研究

2.1 電磁噪聲的多物理場建模

對電動車電機的電磁噪聲進行研究時涉及到多個物理場的研究，包括電路、電磁、聲輻射等的研究，如圖1所示。怎樣能夠做到對電動機多物理場精確的建模是目前研究電動機噪聲源的一個熱門研究話題，對于復雜多樣的模型，目前為止比較的精確的還是用數值分析的方法。

圖1 電動機NVH 物理場建模流程圖

文獻[7]通過模態擴展方法獲取了整個定子表面的振動，文獻[8]提出了一種多物理場模型來計算開關磁阻電機的噪聲，文獻[9]建立了電動機振動的快速計算方法。但是這些模型仍然存在一些問題，比如在對定子建模的過程中沒有考慮定子鐵芯的各向異性[10]。文獻[11-12]通過一系列試驗得出各向異性材料的參數，進而提高了該電動機振動和噪聲計算的精度。此外，文獻[13]計算了不同極槽配合電動機的噪聲并且對電動車在不同工況下的電動機噪聲和對駕駛員客觀心理聲學指標進行了預測。

2.2 電磁噪聲影響因素分析

電動車的驅動電機在工作過程中常會存在一些不確定因素，這些因素對電動機內部的電磁力有著很大的影響。文獻[14]通過試驗發現脈寬調制對電磁噪聲有很大的影響。文獻[15]分析了變頻器供電，發現變頻器的存在同樣是產生電動機噪聲的原因之一。文獻[16]通過進行仿真計算，對正弦波脈寬調制和空間矢量控制2 種調制策略下的電磁振動進行比較，對控制策略進行優化，使電動機噪聲降低35%。文獻[17]指出偏心導致不平衡磁拉力的產生，從而加劇電機振動和噪聲。文獻[18]對轉子動態偏心進行分析，發現這種情況下會產生邊頻噪聲，因此可以根據這種現象來判斷動態偏心。文獻[19]根據上述結論，并通過大量試驗，利用邊界元方法分析發現靜態偏心對電動機有一定的影響，但影響不大。文獻[20]通過建立一半解析模型分析偏心對轉速的影響，分析結果表明偏心會引起空間電磁力的變化。

2.3 電磁噪聲削弱方法

電動車驅動電機的轉速會對電磁噪聲的產生有一定影響，但目前對電動機電磁噪聲加以削弱的方法還不是特別成熟。目前的電動機減振降噪主要從激勵源優化角度加以考慮。文獻[21-23]分別采用優化轉子參數、在轉子表面開凹槽、選擇空間階數較大的極槽配合的方法來達到降低電動機電磁噪聲的目的。在以上方法的基礎上，文獻[24]又經過試驗發現，可以通過改變各次諧波幅值的方法來降低電磁噪聲。文獻[25]重點研究控制優化策略，通過該方法也可以做到使電動機電磁噪聲有效降低，同時提出了注入補償電流來削弱分數槽集中繞組電動機2 倍電流頻率處的振動。文獻[26]提出了一種新的電壓注入策略，在穩定轉速下保持較低的電壓，轉速瞬態變化時保持較高的電壓。文獻[27]采用一種正弦規律變化的載波頻率來削弱電磁噪聲并且減小電流諧波畸變率，在只改變一個控制參數的前提下來改變電流頻譜，并且在避免結構共振的同時保證一個電周期內的載波數不變。文獻[28]采用離線調制的策略使能量分散的同時能夠降低電流諧波幅值，使得結構模態頻率附近的電流諧波能量降低，從而減小總體噪聲。文獻[29]經過大量試驗提出通過使轉子分段斜極的方法來降低電動機電磁噪聲。文獻[30]在上述方法的基礎上，對比了定子傾斜與轉子傾斜的效果，試驗結果表明，定子傾斜降低電動機電磁噪聲的效果明顯好于轉子傾斜。

3 結論

雖然電磁噪聲控制技術取得了很大進步，但現有的模型只能夠用來分析在轉速不變時的電磁噪聲，因此還需要建立能夠用于不同復雜工況下的電動機噪聲模型。另外，目前存在的方法雖然能夠有效減小電動機噪聲，但同時也降低了部分電動機性能，因此需要找到一種不影響電動機性能的降噪方法。

在純電動汽車中，需要解決的問題主要在于電動機的電磁噪聲，同時也需要將電動車的整車性能，車身輕量化，動力總成等問題考慮到電動汽車的設計中去。雖然電動車對環境的影響比傳統汽車少，但是其工作過程中產生的電磁噪聲會影響駕駛員的駕駛狀態，嚴重時會使駕駛員感到不適，增加交通事故發生的概率。但是隨著電動車的發展，這些問題正在被逐漸解決，將電動汽車不同工況下的電動機振動和噪聲物理場建模相結合是解決電磁噪聲最重要的課題。