電動汽車用永磁同步電機NVH優化及測試研究

黃薪槐，唐容輝，鄒世偉，陸新華，何逸波

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西汽車新四化重點實驗室，廣西 柳州 545007）

引言

當前電動車用驅動電機主流是永磁同步電機，主要原因為永磁同步電機效率較高，可靠性好。驅動電機是電動汽車動力輸出關鍵零部件，其NVH性能對整車駕駛舒適性影響較大，電機“嘯叫”將使駕駛員感受變差[1]。因此驅動電機NVH的測試與優化顯得尤為重要。

1 電動汽車用永磁同步電機NVH影響因素分析

電動汽車用永磁同步電機振動噪聲來源主要分為機械激勵和電磁激勵兩部分。其中機械激勵包括軸承激振，轉子轉軸動平衡不良、驅動電機與減速器花鍵匹配不良引起的激振，轉矩控制不穩定引起轉矩波動的激振以及結構共振；電磁激振主要是氣隙磁場產生的電磁力波，電磁力波中的徑向分量會導致電機鐵芯發生周期變形產生振動，是電磁振動和噪聲的主要來源，切向分量會導致轉子轉軸發生渦振引起轉矩波動發生軸系扭振。

1.1 軸承激振

電動汽車用永磁同步電機使用的軸承主要是滾動軸承，其品質及安裝質量的優劣在電機運轉，尤其是高速運轉時在振動噪聲幅值表現好壞。軸承滾珠的圓度、直徑，內外圈安裝的同軸度，滾珠及軌道表面的粗糙度，軸承的潤換以及預緊力等都會直接影響軸承的激振力。一般而言，軸承激振引起的振動噪聲頻譜很豐富、頻譜范圍很寬，且與轉速成正比。

1.2 轉子轉軸動平衡不良

驅動電機轉子及轉軸由于材料不均、加工誤差以及安裝偏差會產生偏心質量，當其在高速旋轉時，偏心質量會產生偏心力矩，發生動不平衡，引起振動。動平衡不良引起的振動特征為振動頻率跟轉頻相等，振動大小隨轉速升高而增大，與負載無關。

1.3 驅動電機與減速器安裝配合不良

驅動電機轉軸與減速器輸入軸在安裝時軸心同軸度偏差大，驅動電機與驅動減速器時花鍵嚙合偏差，產生機械脈沖沖擊，其振動大小與兩軸軸心同軸度正相關，頻率為2倍轉頻。除安裝軸心同軸度外，花鍵配合間隙以及齒形本身的形位公差也會引起機械沖擊，其振動頻率與轉頻相同。驅動電機與減速器安裝配合不良產生的振動和噪聲在驅動電機單獨運行時會消失，這也是排查的直接重要依據之一。

1.4 轉矩波動

電動汽車用永磁同步電機主流控制方法是PWM（矢量脈寬調制），包括驅動電機轉子轉速PI調節以及交直軸電流PI調節。如果PI調節參數設置不好，在驅動電機高轉速下弱磁控制會不穩定，引起電流控制故障，導致輸出的轉矩波動，發生振動[2]。轉矩波動發生一般在驅動電機高轉速、大轉矩，在整車上表現為高速超車時電機突然異響。

1.5 電磁噪聲

如前文所述，電磁噪聲主要是氣隙磁場產生的電磁力波徑向分量使鐵芯發生周期變形產生振動，從而導致周圍空氣脈動引起氣載噪聲。電磁振動的特征頻率主要是2倍電源頻率及其整數倍為主。此外電磁振動還有一個顯著的特性是斷電立即消失，這是判斷振動來源的方法之一。

2 電動汽車用永磁同步電機NVH優化方案

上文分析了電動汽車用永磁同步電機振動噪聲產生的原因以及不同原因產生的振動噪聲的特性分析，下文將針對以上因素從結構設計和電磁設計兩方面提出NVH優化方案。

2.1 結構設計優化

結構振動和噪聲主要來源于動不平衡和軸承激勵。因此在驅動電機結構設計時，轉子轉軸等旋轉件設計要避免結構不對稱，安裝完轉軸附件旋轉變壓器后需要進行動平衡測試，以保證最高工作轉速下動不平衡量滿足要求；軸承及附件在選型時盡量選用小游隙軸承，并使用波紋、碟片彈簧等元件進行預緊，以調整軸承游隙；驅動電機與減速器配合部分，高轉速、大轉矩電機花鍵建議選用斜齒，并修形，同時安裝時需要保證驅動電機轉軸與減速器輸入軸的同軸度。此外，小型自然風冷永磁同步電機散熱片形狀不可過薄且尖長，避免產生共振，某款小型電動車驅動電機在研發過程中通過修改其散熱片形狀明顯降低其噪聲。

2.2 電磁設計優化

電磁振動是驅動電機振動噪聲的主要原因，在設計階段降低電磁力波幅值以及消除某些頻率的振源是降低驅動電機噪聲的主要手段。首先，在驅動電機電磁設計時，選擇滿足電磁性能的極槽配合后，需要分析該極槽配合下可能會產生的電磁力波階次、頻率及大小，并分析驅動電機結構的固有振型和固有頻率，校核在可能引起強烈振動和噪聲危險力波激勵下驅動電機產生的振動的噪聲，從降低力波大小和改善固有振動特性方面優化驅動電機結構。然后，盡量選擇斜極或斜槽，通過改變極槽方向使徑向力波產生位移，可以有效削減齒諧波，降低電磁振動和噪聲[3]。此外，通過優化驅動電機的極弧尺寸和形狀、定轉子槽形，如盡量減小槽口寬度，采用閉口槽、半閉口槽、采用磁性槽楔等措施，也能有效降低氣隙磁場諧波起到降低電磁噪聲的效果。最后，適當增大氣隙、降低氣隙磁度也是有效減低電磁振動噪聲的有效方法，但會影響驅動電機的電磁性能，需要權衡利弊。

3 非消聲背景下電動汽車用永磁同步電機NVH測試

驅動電機NVH品質是其性能評價的重要標準之一，NHV測試是評價其品質的主要手段。一般驅動電機NVH測試分為兩個階段，子系統的臺架測試和整車的路試。子系統臺架測試主要是驗證其本身的NVH性能，而整車路試則主要評價其對駕駛員和乘客駕駛和乘坐的感受。

本文主要討論子系統測試，目前驅動電機子系統NVH臺架測試是在專業的半消聲室配備子系統測試臺架，使用NVH測試設備進行測試[4]，但專業半消聲室造價昂貴。本文提出在非消聲背景下子系統測試臺架進行NVH測試方法，建立評價標準，并在某驅動電機驗證其可行性。

在專業的半消聲室內進行測試是同步采集、分析振動和噪聲的信號，可以同時評價驅動電機的兩項指標。但噪聲是由振動引起的，噪聲和振動有著緊密的關聯，通過在非消聲背景下臺架的振動信號采集和分析，并采集和分析其在整車路試的NVH表現，結合兩者結果評價驅動電機在非消聲背景下的表現，并據此建立非消聲背景下臺架的振動與整車噪聲的聯系，依此建立驅動電機非消聲背景下振動評價指標。

某驅動電機非消聲背景下臺架測試布局為在驅動電機圓周方向、徑向分別布置振動傳感器，并在近場布置麥克風。在特定測試工況下進行振動測試，其分析結果曲線如圖1所示。

從測試結果可以看出，該驅動電機在該測試工況下，在1 000~6 000 r/min范圍，34階、48階振動位移限值小于0.1μm，低于目標值。

將該驅動電機安裝在整車上進行路試時，在相同工況下，車內48階噪聲結果如圖2所示，其中綠色曲線為其測試結果，黑色曲線為其目標曲線。從結果可以看出，其在整車路試的表現與在臺架測試結果相同，均在目標線以下。

從該驅動電機系統在非消聲背景下臺架測試與其在整車路試在相同測試條件下的結果分析表明，其振動結果與噪聲具有緊密關系，可以通過降低在非消聲背景下臺架振動來控制其在整車的噪聲。

4 結語

驅動電機NVH性能是整車駕駛和乘坐感受評價的重要影響因素，隨著驅動電機技術的日臻成熟，其NVH表現會越來越優異，給電動出行帶來更好的駕駛和乘坐舒適性。