諧波電流對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成振動(dòng)噪聲的影響分析

李基芳，何鵬林，孫守富，劉 勇

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300399）

《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃 （2021-2035）》指出，發(fā)展新能源汽車是中國(guó)從汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的必由之路，是應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。中國(guó)一直堅(jiān)持純電驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略取向，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了輝煌的成就。電驅(qū)動(dòng)總成是各類新能源汽車的動(dòng)力核心，電驅(qū)動(dòng)總成一般由電機(jī)控制器（以下簡(jiǎn)稱“控制器”）、電機(jī)和減速器組成。其中控制器是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制中心，將動(dòng)力電池輸出的直流高壓電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動(dòng)、控制電機(jī)運(yùn)行。永磁同步電機(jī)以其成本低、可靠性高、功率密度大及效率高等諸多優(yōu)勢(shì)［1］，成為新能源汽車市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。發(fā)展至今，振動(dòng)噪聲性能已經(jīng)成為評(píng)價(jià)電驅(qū)動(dòng)總成優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一［2］。

1 永磁同步電機(jī)諧波電流分析

1.1 諧波電流頻率分布

控制器逆變電路大多采用三相橋式正弦脈寬調(diào)制（SPWM）［3］，逆變過(guò)程中，除產(chǎn)生基波電流外，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流。控制器為定子繞組星型連接的永磁同步電機(jī)供電時(shí)，交流電流在頻域上分布如下［4］。

1）基波頻率f0，與電機(jī)轉(zhuǎn)速和極對(duì)數(shù)均成正比。

2）諧波頻率 （6n±1），n=1，2，3……，如5f0、7f0、11f0、13f0等。

3）與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的諧波頻率 （kfh±nf0），fh為開(kāi)關(guān)頻率、k為不等于3的整數(shù)倍的整數(shù)。

諧波電流對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生很多影響，比如發(fā)熱量增多、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、電磁振動(dòng)噪聲變大等［5］。

1.2 諧波電流對(duì)振動(dòng)噪聲的影響

徑向電磁力是電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲的主要激勵(lì)源［6］，其由定子和轉(zhuǎn)子間氣隙磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生，通過(guò)定子齒傳遞到電機(jī)殼體。因此，電機(jī)殼體表面的振動(dòng)噪聲與電磁力息息相關(guān)。

定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁場(chǎng)包括定子基波磁場(chǎng)、定子諧波磁場(chǎng)、定子諧波電流產(chǎn)生的主/諧波磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子基波磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)等。上述磁場(chǎng)之間相互作用產(chǎn)生一系列隨時(shí)間和空間而變化的徑向電磁力。

與定子第v次諧波電流有關(guān)的主要徑向電磁力頻率為（fv±f0）［7］，其中fv是第v次諧波電流頻率。

如第5次、第11次諧波電流產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，所以徑向電磁力頻率為 （fv+f0）；如第7次、第13次諧波電流產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，所以徑向電磁力頻率為 （fv-f0）。即：第5次和第7次諧波電流產(chǎn)生的徑向電磁力頻率為6f0，第11次和第13次諧波電流產(chǎn)生的徑向電磁力頻率為12f0。

1.3 諧波電流抑制方法

對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率附近的高次諧波，通常采用改變控制器逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化PWM策略、增加輸出濾波器等方式降低。對(duì)于低次諧波電流，主要從改進(jìn)電機(jī)的本體結(jié)構(gòu)和控制策略兩方面抑制［8］。

改進(jìn)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)主要包括斜槽斜極、磁路設(shè)計(jì)、繞組分布等。這些方法一般在電機(jī)的設(shè)計(jì)初期結(jié)合電機(jī)性能指標(biāo)、加工工藝、制造成本等因素綜合考慮，對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工要求很高。

應(yīng)用控制策略改善逆變器死區(qū)時(shí)間和管壓降等因素引起的諧波電流，主要方式包括電壓補(bǔ)償法、坐標(biāo)變換法等。軟件控制方法抑制諧波電流易于實(shí)現(xiàn)、適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛用于電機(jī)振動(dòng)噪聲優(yōu)化、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)改善等。

第v次諧波電流在三相靜止坐標(biāo)系下是交流分量，但是在第v次諧波dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下將變成直流分量。通過(guò)對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換，分別將擬抑制的諧波電流變換成直流分量并提取，根據(jù)提取到的直流分量電流計(jì)算諧波電壓補(bǔ)償量，然后將諧波電壓補(bǔ)償量反饋到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流的抑制。

2 電驅(qū)動(dòng)總成電流及振動(dòng)噪聲測(cè)試

被測(cè)電驅(qū)動(dòng)總成由8極48槽永磁同步電機(jī)、減速器和控制器組成。為了測(cè)試電機(jī)交流電流，將控制器拆除置于遠(yuǎn)離電機(jī)的位置并包覆吸聲材料，消除控制器對(duì)噪聲測(cè)試結(jié)果的影響。

試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)的測(cè)功機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行，測(cè)試系統(tǒng)主要包括Siemens SCM2E05數(shù)采、YOKOGAWA 701931電流傳感器、PCB 356A16加速度傳感器、GRAS 46AE傳聲器、Simcenter Testlab軟件等。

電流傳感器測(cè)試其中一相交流電流，加速度傳感器布置在電機(jī)殼體上，傳聲器分別布置在電驅(qū)總成（電機(jī)+減速器）前方、后方、左方、右方、上方，距離總成表面均為1m。試驗(yàn)照片如圖1所示，圖1中紅色圓圈標(biāo)注的是傳聲器位置。

圖1 電驅(qū)動(dòng)總成試驗(yàn)照片

試驗(yàn)工況為電機(jī)在峰值轉(zhuǎn)矩輸出狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速由1000r/min經(jīng)15s加速到5000r/min。同步采集加速工況上述電流、振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)。

2.1 電流測(cè)試結(jié)果

圖2是電機(jī)其中一相交流電流的頻譜圖，由于基波頻率電流的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧波電流幅值，且諧波電流之間幅值差異較大。為了便于觀察電流的頻率分布，調(diào)整電流頻譜圖的幅值范圍，圖中顯示的是幅值較大的諧波電流。

圖2 電流頻譜圖

其中①是基波電流，②～⑤分別是第5次、第7次、第11次、第13次諧波電流，8000～12000Hz之間為開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)諧波電流。電流頻率分布與1.1所述結(jié)論吻合。

除上述諧波電流外，由于電機(jī)三相不對(duì)稱，測(cè)試相電流中還包含第2次、第3次、第4次諧波電流，但是電流幅值較小。

圖3是低次諧波電流幅值對(duì)比，其中第5次諧波電流幅值最大，明顯高于其它次諧波電流。另外隨著諧波次數(shù)的提高，電流幅值呈下降趨勢(shì)。

圖3 諧波電流大小對(duì)比

2.2 振動(dòng)噪聲測(cè)試結(jié)果

分析電驅(qū)動(dòng)總成振動(dòng)噪聲測(cè)試結(jié)果，其中噪聲結(jié)果為5個(gè)傳聲器測(cè)點(diǎn)的能量平均值，關(guān)注頻率范圍0～5000Hz。

圖4 電機(jī)殼體徑向振動(dòng)

圖5 振動(dòng)總值與主要階次對(duì)比

圖4是電機(jī)殼體徑向振動(dòng)頻譜圖，振動(dòng)較大的階次主要為第8階、第24階和第48階。其中，第24階振動(dòng)在測(cè)試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)相對(duì)較大，見(jiàn)圖5振動(dòng)總值與主要階次對(duì)比。尤其在1600～2500r/min范圍內(nèi)第24階振動(dòng)與振動(dòng)總值大小相近，是電機(jī)殼體徑向振動(dòng)的主要貢獻(xiàn)量。

圖6是5個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)平均值的頻譜圖，由于測(cè)試對(duì)象為包含電機(jī)和減速器的總成（控制器噪聲已屏蔽），所以頻譜圖中既有第8階、第24階、第48階等電機(jī)階次噪聲，又有減速器相關(guān)的齒輪階次噪聲（圖中黑色虛線所在的階次）。而且除個(gè)別轉(zhuǎn)速外，上述電機(jī)階次噪聲和減速器階次噪聲中沒(méi)有任何一階噪聲的能量明顯高于其它階次噪聲。也就是說(shuō)，某階噪聲只在個(gè)別轉(zhuǎn)速對(duì)聲壓級(jí)具有主要貢獻(xiàn)，圖7是聲壓級(jí)與主要電機(jī)階次噪聲對(duì)比。

圖6 電驅(qū)動(dòng)總成噪聲頻譜圖

圖7 聲壓級(jí)與電機(jī)階次噪聲對(duì)比

比如，第8階電機(jī)噪聲峰值在3750r/min左右，該轉(zhuǎn)速下與聲壓級(jí)相差約3.5dB （A），對(duì)聲壓級(jí)影響最大；其它轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聲壓級(jí)，對(duì)聲壓級(jí)基本無(wú)影響。第24階電機(jī)噪聲在2100r/min、2500r/min與聲壓級(jí)相差約3dB （A），對(duì)聲壓級(jí)影響最大。第48階電機(jī)噪聲在1700r/min左右與聲壓級(jí)相差約4dB （A），對(duì)聲壓級(jí)影響最大。相對(duì)而言，第24階電機(jī)噪聲在測(cè)試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)幅值較大。

綜上所述，第24階振動(dòng)噪聲對(duì)被測(cè)電驅(qū)動(dòng)總成振動(dòng)噪聲影響最大。由于被測(cè)總成的電機(jī)極對(duì)數(shù)是4，所以第5次和第7次諧波電流引起的徑向電磁力是第24階振動(dòng)噪聲的激勵(lì)之一。

本文應(yīng)用1.3節(jié)中的控制策略原理，抑制第5次和第7次諧波電流，研究其對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成振動(dòng)噪聲的影響。

3 諧波電流對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成振動(dòng)噪聲的影響

通過(guò)控制策略抑制電流第5次和第7次諧波，重復(fù)測(cè)試本文第2節(jié)中的加速工況，對(duì)比抑制諧波電流前后的電流、振動(dòng)噪聲變化。本節(jié)對(duì)比圖中紅色實(shí)線為諧波電流抑制前的測(cè)試結(jié)果，綠色虛線為諧波電流抑制后的測(cè)試結(jié)果。

圖8是第5次和第7次諧波電流對(duì)比，由圖8可見(jiàn)，第5次諧波電流幅值大幅降低、第7次諧波電流除中間轉(zhuǎn)速段外幅值也明顯降低。因此，通過(guò)控制策略達(dá)到了抑制第5次和第7次諧波電流的目的。

圖8 諧波電流幅值對(duì)比

圖9 電機(jī)殼體徑向振動(dòng)對(duì)比

圖9是電機(jī)殼體徑向振動(dòng)對(duì)比，第24階振動(dòng)幅值在1500～2900r/min、3400～5000r/min范圍內(nèi)明顯降低，振動(dòng)平均值由1.87m/s2降至0.51m/s2，振動(dòng)峰值由5.58m/s2降至1.48m/s2。

振動(dòng)總值在1600～2500r/min大幅降低而且線性度提高，印證了圖5中該轉(zhuǎn)速范圍振動(dòng)主要貢獻(xiàn)量是第24階的結(jié)論。轉(zhuǎn)速2100r/min左右的振動(dòng)峰值由6.55m/s2降至2.76m/s2，另外在3600～5000r/min振動(dòng)總值略有降低。

圖10是電驅(qū)動(dòng)總成噪聲對(duì)比，由圖可知，第24階噪聲在測(cè)試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)明顯降低，平均降低7.4dB （A）。聲壓級(jí)在2100r/min 和2500r/min 左右分別降低2.6dB （A）、1.8dB （A）。

圖10 電驅(qū)動(dòng)總成噪聲對(duì)比

4 結(jié)論

本文以某電驅(qū)動(dòng)總成為研究對(duì)象，測(cè)試分析諧波電流對(duì)其振動(dòng)噪聲的影響，得出以下結(jié)論。

1）電機(jī)殼體徑向振動(dòng)以電機(jī)階次振動(dòng)為主，總成噪聲既包含電機(jī)階次噪聲又包含減速器階次噪聲。其中，第24階振動(dòng)噪聲對(duì)總成的振動(dòng)和聲壓級(jí)影響最大。

2）第5次諧波電流和第7次諧波電流引起的徑向電磁力是第24階振動(dòng)噪聲的激勵(lì)源之一，通過(guò)控制策略降低了第5次和第7次諧波電流。

3）第24階振動(dòng)平均值由1.87m/s2降至0.51m/s2、振動(dòng)峰值由5.58m/s2降至1.48m/s2，第24階噪聲平均降低7.4dB （A），改善效果明顯。

4）因第24階振動(dòng)噪聲明顯改善，電驅(qū)動(dòng)總成振動(dòng)總值、平均聲壓級(jí)得到不同程度優(yōu)化。