電動汽車驅動電機振動噪聲問題分析優化

王康 秦永法

揚州大學機械工程學院 江蘇省揚州市 225100

1 前言

21世紀以來，我國汽車行業飛速發展，私家車數量增加，因此對化石燃料的需求增加，但我國資源儲量有限，因此進口量逐漸增加。同時，由內燃機汽車燃燒化石燃料排出的尾氣造成的空氣污染問題也不容小覷，環保形勢也愈發嚴峻。目前，針對此情況主要提出了兩種方案：一是尋找環保的替代能源，如太陽能、氫能等；二是改變驅動方式，使用電機作為新的動力源，發展電動汽車。

近幾年，汽車電動化是一個越來越明顯的趨勢。隨著電動汽車的逐漸發展，驅動電機朝著大功率與大轉矩的方向不斷發展，隨之而來整體噪聲也會不斷加大。與此同時，消費者對電動汽車的使用要求也在不斷提高，電動汽車駕乘時的安靜和舒適是消費者考慮的一項重大指標。因此，用驅動電機取代內燃機所帶來的新的振動噪聲問題必須引起重視，因為這和車內人員的駕乘體驗以及電動汽車的質量密切相關。

2 電動汽車驅動電機種類

隨著汽車電動化的發展，驅動電機也經歷了演變過程，主要存在直流電機、交流異步電機、永磁式電機和開關磁阻電機這幾種，表1為這幾種電機性能在各方面的綜合對比。

表1 驅動電機性能對比表

（1）直流電機：早期在汽車上使用的驅動電機，它將直流電能轉換為機械能來驅動汽車行駛，其結構如圖1所示。但因為其轉速較低，逐漸不能滿足人們對高速度的需求，同時其可靠性低，維護起來較復雜，因此其在電動汽車上的應用逐漸減少。

圖1 直流電機結構圖

（2）交流異步電機：結構簡單，穩定性高，通用性強，抗震性能好，與直流電動機相比，其效率更高，其結構如圖2所示，目前在大功率的電動汽車上使用較多。

圖2 交流異步電機結構圖

（3）永磁式電機：分為兩類，一種是無刷直流，另一種是永磁同步。其結構簡單，功率因數高，運行效率高，振動噪聲小，永磁同步根據轉子磁路結構可以分為兩種，分別為內置式和表貼式，其結構如圖3，圖4所示，目前被廣泛使用在電動汽車上，有較大的發展前景。

圖3 內置式永磁同步電機結構圖

圖4 表貼式永磁同步電機結構圖

（4）開關磁阻電機：在現有的驅動電機中，擁有更加簡單的結構，其結構如圖5所示。同時，可靠性高，控制策略簡單，效率高，成本低等優勢促進了它的發展。但是其噪聲和振動較大，目前在電動三輪車上使用較多。

圖5 開關磁阻電機結構圖

3 驅動電機振動噪聲問題

3.1 驅動電機振動噪聲形勢

目前，整個電動汽車行業都面臨著驅動電機的振動噪聲挑戰。一方面，就傳統的內燃機汽車而言，主機廠對其擁有豐富的治理振動噪聲的經驗，但用驅動電機替代內燃機以后，不僅汽車行駛時的動力來源發生變化，而且電動汽車的傳動系統、振動噪聲的傳遞路徑和傳統內燃機汽車相比較也發生了變化，其傳動原理如圖6所示，這讓主機廠處理電動汽車驅動電機振動噪聲問題時比較棘手；另一方面，就傳統的電機而言，電機廠對其擁有豐富的治理振動噪聲的經驗，但是這些相關經驗并不能完全適用于處理用于驅動整車的驅動電機。因此，主機廠和電機廠需要通力合作，克服這一業界難點，提高電動汽車的整車品質。

圖6 電動汽車傳動原理圖

3.2 驅動電機噪聲分類

總的來說，雖然形成噪聲的因素有很多，但是可以將這些噪聲分為三種。

（1）電磁噪聲。其由電磁力的轉矩波動產生，按照激振源可以分為倍頻、齒諧波、滑差三種。無論在任何條件下，只要電流存在，都會產生電磁噪聲，其中電磁噪聲與電流諧波的關系如圖7所示。因為有諧波的存在，會讓電流的波形圖不是規則的正弦圖像，如圖8所示，而且從圖中可以看出，還會有一些“毛刺”產生，會讓電動汽車在行駛的時候產生一些尖銳刺耳的噪聲。當司機駕駛電動汽車時，驅動電機在工作過程中產生的電磁噪聲給司機的感受是最直接的。和傳統用內燃機作為動力源的汽車產生的噪聲相比較，電動汽車驅動電機產生的電磁噪聲頻率更高，因此電磁噪聲對車內人員的駕乘體驗有著重大影響，是最主要的噪聲。

圖7 電機電磁振動噪聲與電流諧波關系圖

圖8 惡劣的電流諧波圖

（2）機械噪聲。驅動電機在運行過程中的產生機械噪聲，主要是由軸承等結構的摩擦和轉子的動平衡問題造成的。

（3）空氣動力噪聲。驅動電機工作時會產生熱量，因而需要冷卻液和風扇的存在。轉子和風扇在轉動過程中，會影響電機內的氣流變化，因而氣流波動產生響聲進入人耳形成噪聲。另外，由于冷卻液的流動，加重了這種聲音對車內駕乘人員干擾。通過總結，將空氣動力噪聲細分為三類，為后續進行振動噪聲的優化提供理論基礎。

旋轉噪聲。駕駛汽車時，驅動電機由于處于持續工作狀態，需要及時散熱避免產生安全隱患，此時風扇急速運轉，對氣流產生影響，會產生壓力脈動，形成旋轉噪聲。

渦流噪聲。由于轉子表面有凸起，當轉子旋轉時，會對氣流形成影響。因為風扇的冷卻作用會造成空氣湍流，同時轉子運動也會形成湍流，這兩者不是同時出現，會形成渦流。

笛鳴噪聲。因為驅動電機表面是不規則的，氣流遇到凸起阻礙時會產生類似笛聲的聲音，隨轉動部件和固定部件之間氣隙的減小而增強。

4 驅動電機噪聲優化

4.1 電磁噪聲優化

針對電磁噪聲的優化要考慮的因素比較多，因為在控制電磁噪聲的同時，還需要使驅動電機的性能符合要求。電磁噪聲大小主要與氣隙中定子、轉子之間的相互作用產生的徑向力，電機組成部件的動態響應有關，因此可以采取以下措施來減小驅動電機電磁噪聲：合理選擇氣隙磁密，以使在降低噪聲的同時更好的平衡驅動電機的性能；增加定子槽數以減少諧波分布系數，以減小徑向電磁力諧波及轉矩脈動；轉子設計時由直槽改為斜槽；降低驅動電機定子表面的動態振動；選擇合適的槽配合來降低驅動電機的電磁噪聲。

4.2 機械噪聲優化

針對驅動電機的機械噪聲優化主要分為兩方面進行，一方面是對軸承噪聲進行控制，另一方面是對由轉子動平衡問題產生的噪聲進行控制。

對軸承噪聲可采取以下措施：軸承徑向游隙的大小要適當，過大會使電機的低頻噪聲變大，過小會使電機高頻變大；選擇密封軸承，避免雜物及油污進入；軸承端蓋的結構設計要合理，使軸承內圈與轉軸的配合，軸承外圈與軸承室的配合更加恰當。

針對轉子動平衡問題可采取以下措施：提高轉子的動平衡精度，應大于G2.5，盡量減少驅動電機工作時因轉子質量分布不均勻產生的離心力的大小。

4.3 空氣動力噪聲優化

針對驅動電機的幾種空氣動力噪聲，可以采取以下措施：在滿足驅動電機使用要求的前提下，合理設計電機的結構，使風扇以盡量小的轉速滿足驅動電機的散熱要求，這有助于降低風扇旋轉時產生的噪聲；合理設計風扇的結構，減少風扇旋轉時打擊空氣產生的渦流噪聲；提高驅動電機的工藝制作水平，減少定子、轉子表面的粗糙度，有助于減小笛鳴噪聲。

5 結束語

通過上述介紹可以發現，驅動電機的振動噪聲問題很復雜，影響因素有很多，而且有時不同噪聲之間也會產生影響，治理時需要綜合考量各種因素，在滿足使用要求的前提下，應盡量減少驅動電機的振動噪聲，提高整車品質，給駕乘人員更好的體驗感。