電流角對永磁同步電機開關頻率噪聲的影響

王剛 牛文博 蔡輝 郭守侖 范雨卉 陳野

（1.中國第一汽車集團有限公司研發總院NVH研究所；2.中國第一汽車集團有限公司新能源開發院電機電驅動研究所）

隨著電動汽車的普及與發展，驅動電機引起的整車噪聲問題也備受關注。與傳統汽車的發動機噪聲不同，電動汽車的電機噪聲主要是電機的階次噪聲與開關頻率噪聲，在車內表現為惱人的嘯叫。對于開關頻率噪聲，電機在逆變器供電的條件下，定子電流中含有大量的時間諧波，使氣隙磁場也產生大量的諧波，輸入電流的高次諧波會引起電磁噪聲[1]，其振動噪聲頻率主要分布在開關頻率及其倍數附近[2]。這種高頻噪聲會嚴重影響駕乘人員的主觀感受。提高開關頻率，可以使開關噪聲避開人耳敏感區，但是會增加功率模塊的功率損耗，對逆變器散熱要求也更高。針對此問題，文章通過永磁同步電機臺架噪聲測試，驗證不同電流角對開關頻率噪聲的影響，探索在不提高開關頻率的前提下，解決開關頻率噪聲的辦法。

1 電機開關頻率噪聲產生機理

圖1示出電動汽車電機的開關頻率噪聲產生機理。逆變器的作用是根據控制策略，提供電機所需的三相交流電壓和電流，一般采用三相半橋電路，拓撲結構如圖1a所示。通過空間矢量脈寬調制技術將動力電池的直流電轉換成三相交流電，由此產生開關頻率噪聲。6～12 kHz頻率的開關噪聲可能會被客戶感知并厭煩，更高頻率的開關噪聲客戶較難感知[3]。當前，逆變器開關頻率多為10 kHz或更高[4]。

圖1 電動汽車電機的開關頻率噪聲產生機理

電機由逆變器供電，采用空間矢量脈寬調制算法，其輸出的電流波形不是理想的正弦波，如圖1b所示，而是存在大量的電流諧波，電流基波與各次諧波的相互調制產生徑向電磁力，引起以開關頻率為中心對稱分布的噪聲[5]。噪聲頻譜表現，如圖1c所示。

2 電流角與電磁轉矩的關系

圖2示出永磁同步電機空間矢量圖。

圖2 永磁同步電機空間矢量圖

電流角[6]是定子磁鏈與永磁體產生的氣隙磁場間的空間電角度，即圖2中id與iq合成的電流空間矢量is與d軸的空間角度β。電流角與電磁轉矩的關系，如式（1）所示。電流角的不同會影響電磁轉矩和電磁力，進而影響電機開關頻率產生的噪聲。

式中：Tem——電磁轉矩，N·m；

p——極對數；

Lmd——定、轉子間的d軸互電感，H；

Ld，Lq——定子繞組的d，q軸電感，H。

提高開關頻率，可以使其噪聲頻率避開客戶易感知的頻率范圍，但會增加功耗，降低逆變器效率。在某電機（8極48槽，開關頻率為8 kHz）的開發階段，在不影響效率的前提下，進行了電流角對開關頻率噪聲影響的研究。

3 驅動電機臺架NVH測試方法

3.1 電機NVH臺架搭建

在半消聲室環境下進行電機臺架噪聲測量，消聲室凈空間尺寸為11.4 m×8.4 m×4.8 m，聲學結構為金屬尖劈（長×寬×高）1 000 mm×500 mm×800 mm，截止頻率為100 Hz（截止頻率以上吸聲系數≥0.99），背景噪聲≤25 dB。驅動電機與臺架通過適配安裝板剛性連接，使用剛性聯軸器與測功機連接。測功機及其附屬設備須進行噪聲隔離與屏蔽，確保不會干擾電機噪聲的測量。夾具走線孔使用隔聲材料進行封堵。

3.2 電機噪聲測點位置

采用平行六面體的測試面，在電機某一側端面，距離電機殼體外輪廓幾何中心位置0.5 m處布置傳聲器，傳聲器垂直指向電機表面，如圖3所示。

圖3 電動汽車電機噪聲測點位置示意圖

3.3 電機噪聲測試工況

電機的轉速控制在6 500 r/min，電流的有效值為260 A，其他工作條件不變，設定不同的電流角：125.0，127.0，128.4（原狀態），130.0，131.0，135.0°，進行臺架電機噪聲測量。

3.4 不同電流角的電機噪聲測試結果

圖4示出不同電流角的噪聲測量頻譜。由圖4可以看出，電機開關頻率產生的噪聲在f1±3f0、f1±f0頻率處存在較明顯的噪聲峰值。根據電機整車、臺架噪聲試驗數據的積累與分析，一般情況下，這些開關頻率噪聲幅值較大，較易在車內產生高頻嘯叫，影響駕乘感受。

圖4 電動汽車電機不同電流角噪聲測量頻譜

提取不同測試工況的f1±3f0、f1±f0頻率噪聲幅值進行綜合對比，如圖5所示。從圖5可以直觀看出：隨著電流角的增大，電機開關頻率諧波f1±3f0、f1±f0頻率噪聲幅值均呈下降趨勢，f1+f0頻率噪聲降低2.4 dB，f1-f0頻率噪聲降低3.6 dB，f1+3f0頻率噪聲降低1.1 dB，f1-3f0頻率噪聲降低4.4 dB。測試結果表明，電流角是影響電機開關頻率噪聲的重要因素之一，調整電流角可有效改善電機開關頻率噪聲。

圖5 電動汽車電機不同電流角開關頻率噪聲測量結果

在調整電流角進行噪聲測試的過程中，也同步記錄了電機轉矩數據，如圖6所示。從圖6可以看出，其他試驗條件不變，隨著電流角變大，電機轉矩有所下降。因此，調整電流角、降低開關頻率噪聲的方案還需要統籌考慮，需要兼顧電機的噪聲與電機性能。

圖6 電動汽車電機轉矩隨電流角變化曲線

4 結論

電動汽車電機的開關頻率噪聲幅值大、易被感知，一旦在車內出現，會嚴重影響駕乘人員的主觀感受。電機臺架噪聲測試結果表明，電流角是影響電機開關頻率噪聲的重要因素之一，增大電流角可以在不提高開關頻率、不增加功率損耗的情況下，有效降低開關頻率諧波分量噪聲。該結果為設計與NVH人員提供了一種優化開關頻率噪聲的方案與策略，但是，隨著電流角的增大，電機轉矩會略有降低，噪聲與性能二者如何取舍，需要結合實際情況綜合考慮。