寧興江

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電動汽車永磁同步驅(qū)動電機(jī)振動噪聲建模與分析

寧興江

（愛馳汽車（上海）有限公司，上海 200090）

某純電動樣車在試驗過程中被抱怨驅(qū)動電機(jī)噪聲問題。針對該問題，首先進(jìn)行永磁同步驅(qū)動電機(jī)的振動噪音機(jī)理分析，建立以轉(zhuǎn)速為輸入信號和以噪聲頻率與階次為輸出信號的電機(jī)振動噪聲理論模型，并推導(dǎo)出A聲級噪聲理論譜線；其次，進(jìn)行被測永磁同步的電機(jī)振動噪聲測試，得出A聲級噪聲試驗譜線；最后，對比理論模型預(yù)測和測試結(jié)果，驗證了模型的正確性，并識別被測永磁同步電機(jī)異常噪聲源。該模型與試驗相結(jié)合可以快速識別永磁同步電機(jī)的異常振動噪聲源。

電動汽車；永磁同步電機(jī)；振動噪聲；噪聲理論譜線；噪聲試驗譜線

前言

近年來，石油能源安全與環(huán)境污染問題日益突顯，且受國家排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格、補(bǔ)貼政策拉動，電動汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。電動汽車尤其是純電動汽車的噪聲問題日益引起廣泛關(guān)注，諸多品牌的電動汽車均遇到了振動與噪聲的問題或用戶抱怨。

在常用的城市工況（0-80km/h）下，純電動汽車一般500Hz以上的中高頻噪音較為明顯，而傳統(tǒng)車輛一般為500Hz以下噪音[1]。中高頻噪音尖銳刺耳，有明顯的“嘯叫”聲，通常讓人產(chǎn)生強(qiáng)烈的不適感。相比于傳統(tǒng)動力汽車，純電動汽車噪聲的差別主要在于電驅(qū)動總成的噪音，本文的研究對象是驅(qū)動電機(jī)的振動和噪聲。

市場需要企業(yè)快速推出高品質(zhì)的電動汽車，研發(fā)周期縮短，這就亟待研發(fā)人員能夠快速得分析，識別并解決電動汽車噪音問題。為了快速得分析，識別電動汽車驅(qū)動電機(jī)的振動和噪聲問題，文獻(xiàn)[2-4]提出了永磁同步電機(jī)噪聲源識別與診斷的黑箱建模技術(shù)，并以外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)為研究對象進(jìn)行建模和試驗。文獻(xiàn)[5]對車用驅(qū)動電機(jī)的磁場進(jìn)行分析，推導(dǎo)出正弦波供電和變頻器供電條件下電機(jī)振動噪聲源的特征頻率，也測試分析了由定轉(zhuǎn)子諧波磁場引起的電磁噪聲。但未對電機(jī)的噪音源包括機(jī)械噪聲源進(jìn)行分析和診斷。文獻(xiàn)[6]通過測試得到了電機(jī)在3000r/min工況下的穩(wěn)態(tài)噪聲頻譜圖，驗證了電磁噪聲是電機(jī)噪聲的主要來源。但未對其電磁噪聲源進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，識別。

本文以高速內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步驅(qū)動電機(jī)為研究對象進(jìn)行電機(jī)噪聲源識別與診斷的建模和試驗。首先，進(jìn)行電動汽車永磁同步驅(qū)動電機(jī)的振動噪音機(jī)理分析，推導(dǎo)出以轉(zhuǎn)速為輸入信號和以噪聲頻率與階次為輸出信號的電機(jī)振動噪聲模型，并預(yù)測A聲級理論譜線；其次，進(jìn)行被測電機(jī)振動噪聲試驗，得出空載時，不同負(fù)載時加速工況和勻速工況下的電機(jī)振動加速度、噪聲等信號，得到電機(jī)振動和噪聲的階次和幅頻特征；最后，對比理論模型預(yù)測和測試結(jié)果，驗證理論模型的正確性，并結(jié)合主觀評價確定異常振動噪音工況，進(jìn)而識別被測電機(jī)的異常噪聲源。

1 永磁同步電機(jī)振動噪聲理論模型

永磁同步電機(jī)主磁通主要沿徑向進(jìn)入氣隙，并在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力，引起定子和轉(zhuǎn)子振動，從而產(chǎn)生電磁噪聲。

本部分利用永磁同步電機(jī)氣隙磁密公式，應(yīng)用麥克斯韋張量法建立了徑向力波解析模型，并根據(jù)其多自由度機(jī)械運動方程求解出電機(jī)的振動噪聲響應(yīng)。

1.1 氣隙磁密

永磁同步電機(jī)氣隙磁密由永磁體磁場和正弦波電流電樞反應(yīng)磁場相互作用產(chǎn)生[7]：

式中，b為永磁體氣隙磁密，b為電樞反應(yīng)氣隙磁密。

永磁體氣隙磁密可表示為：

電樞反應(yīng)氣隙磁密可表示為：

式中，B為第次電樞反應(yīng)諧波磁密幅值。

由式（1）、（2）、（3）可得：

1.2 徑向力波

理想的永磁同步電機(jī)是指通入正弦波電流，且無其故它故障的電機(jī)。產(chǎn)生振動噪聲的激勵力主要是徑向力波[7]：

式中，P為徑向力波，為定子空間角度，0為真空磁導(dǎo)率，為氣隙磁密。

由式（4）、（5）推導(dǎo)可得電機(jī)的徑向力波公式（6）。

1.3 振動噪聲響應(yīng)及其頻率

永磁同步電機(jī)的電磁力激勵外定子或外轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生振動，進(jìn)而輻射噪聲。其個自由度機(jī)械運動方程[8]可表示為式（7）。

式中，q（）是t時刻模態(tài)坐標(biāo)系下的節(jié)點位移，Φ是第階模態(tài)振型，（）是時刻節(jié)點力，[]、[]、[]分別是質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣。

根據(jù)杜哈梅積分得系統(tǒng)在模態(tài)坐標(biāo)下的響應(yīng)[8]為：

式中，ζ為第階固有振型的模態(tài)阻尼比，ω為無阻尼系統(tǒng)的第階模態(tài)頻率，ω為有阻尼系統(tǒng)的第階模態(tài)頻率，且：

由式（8）可知，永磁同步電機(jī)外定子或外轉(zhuǎn)子在激勵力作用下的響應(yīng)由兩部分組成：以頻率為有阻尼模態(tài)頻率ω的自由衰減振動的解和以與激勵力頻率相同的受迫振動的解。

因此，要建立以轉(zhuǎn)速為輸入信號和以噪聲頻率與階次為輸出信號的振動噪聲響應(yīng)理論模型，也即是建立以轉(zhuǎn)速為輸入信號和以有阻尼模態(tài)頻率與激勵力頻率為輸出信號的理論模型。

1.4 理想永磁同步電機(jī)的振動噪聲響應(yīng)及其頻率

式中，為轉(zhuǎn)速，為電源頻率。

由式（6）和式（10）可得以轉(zhuǎn)速為輸入信號和以激勵力頻率為輸出信號的關(guān)系式（11）：

式中，∈*，∈*，且≠。

1.5 異常振動噪聲

除了理想永磁同步電機(jī)的振動噪聲響應(yīng)外，還存在由時間諧波電流、標(biāo)準(zhǔn)PWM載波頻率、轉(zhuǎn)子偏心、滾動軸承及共振等引起的異常振動噪聲[3][9]。

2 電機(jī)A聲級噪聲理論譜線

基于上述模型，應(yīng)用軟件[10]，對本項目中的4對極內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的A聲級噪聲進(jìn)行預(yù)測?？紤]理想永磁同步電機(jī)、時間諧波電流、滾動軸承、開關(guān)頻率、固有頻率的影響，噪聲預(yù)測譜線如圖1- 5所示。綜合這幾個因素的預(yù)測譜線如圖6所示。

圖1 理想永磁同步電機(jī)的噪聲理論譜線

圖2 考慮時間諧波電流的噪聲理論譜線

圖3 考慮滾動軸承不圓度的噪聲理論譜線

圖4 考慮開關(guān)頻率的噪聲理論譜線

圖5 考慮計算模態(tài)的噪聲理論譜線

圖6 考慮以上因素的綜合的噪聲理論譜線

3 電機(jī)振動噪聲測試與分析

通過驅(qū)動電機(jī)振動噪聲臺架試驗，測試空載時，不同負(fù)載時加速工況和勻速工況下電機(jī)轉(zhuǎn)速、振動加速度、噪聲等信號，得到電機(jī)振動和噪聲的階次和幅頻特征，驗證電機(jī)噪聲理論譜線是否正確。并應(yīng)用電機(jī)振動噪聲理論模型初步診斷驅(qū)動電機(jī)異常噪聲源和及工況。

3.1 試驗工況

按表1所設(shè)置的工況運行電機(jī)，采集振動加速度、噪聲、三相電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。其中加速工況連續(xù)測試可以反映該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)的電機(jī)噪聲特性。

表1 試驗工況表

3.2 電機(jī)安裝方式與傳感器布置

電機(jī)空載運行時安裝方式[11]與加速度傳感器測點布置如圖7所示：

圖7 空載時加速度傳感器測點布置

電機(jī)帶載運行時安裝方式[11]與加速度傳感器測點布置如圖8所示：

圖8 加載時加速度傳感器測點布置

加速度傳感器用膠水粘貼在電機(jī)表面，聲速探頭安裝在電機(jī)正上方2cm處。聲速探頭又名p-u探頭，一種用于測量物體近場噪聲的傳感器，其原理為通過測量兩束超聲波的相位差，以捕捉指質(zhì)點速度，進(jìn)而推出物體表面的噪聲聲壓級和聲強(qiáng)。多用于背景噪聲較大的場合。

部分加速度傳感器和聲速探頭布置如圖9所示。

圖9 部分加速度傳感器和聲速探頭布置

3.3 試驗臺架

本試驗采用了聲速探頭，可不考慮背景噪聲，采用高精度普通電機(jī)試驗臺架直接測量電機(jī)近場噪聲。

圖10 電機(jī)振動噪聲試驗臺架

3.4 試驗結(jié)果分析

轉(zhuǎn)矩為100N.m加速工況下電機(jī)噪聲A聲級譜線繪制如圖11所示。圖11和圖6的相似度很高，包括理想永磁同步電機(jī)、時間諧波電流、滾動軸承、開關(guān)頻率及共振產(chǎn)生的噪聲譜線，證明了電機(jī)振動噪聲理論模型的正確性。并可判斷該永磁同步電機(jī)的異常噪聲源主要有：時間諧波電流、滾動軸承、開關(guān)頻率、固有頻率。

圖11 噪聲試驗譜線

4 異常噪聲工況下電機(jī)振動、噪聲分析

根據(jù)本項目的電機(jī)噪聲主觀評價結(jié)果，噪聲煩躁度的最惡劣工況為（5800rpm，100N.m）和（6000rpm，100N.m），主觀煩躁度達(dá)最大值，評價主體非常煩躁。兩者情況類似，本節(jié)針對前一種工況進(jìn)行電機(jī)振動和噪聲分析。當(dāng)轉(zhuǎn)速為5800rpm時，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率為96.7Hz，驅(qū)動電機(jī)的電源頻率為386.7Hz。

4.1 異常噪聲工況下電機(jī)振動分析

在轉(zhuǎn)速為5800rpm、轉(zhuǎn)矩為100N.m時，電機(jī)A4點的振動加速度頻譜如圖12所示，可見：

（1）當(dāng)頻率為772.5Hz、1548Hz、2320Hz、3093Hz、3868Hz、4640Hz時，亦即當(dāng)頻率為電源頻率的偶數(shù)倍時，驅(qū)動電機(jī)A4點的振動加速度幅值較大。這與我們理論推導(dǎo)結(jié)果式（10）相符。

（2）當(dāng)頻率為96.7Hz、193.4Hz、290.1Hz、386.8Hz、……時，亦即當(dāng)頻率為轉(zhuǎn)動頻率的整數(shù)倍時，驅(qū)動電機(jī)A4點的振動加速度亦有幅值。這可能由滾動軸承、時間諧波電流等情況引起。

圖12 電機(jī)A4點的振動加速度頻譜圖

4.2 異常噪聲工況下電機(jī)噪聲分析

A聲級頻譜如圖13所示，將圖13中的5800rpm時的電機(jī)噪聲A聲級頻譜提取出來，如圖14。轉(zhuǎn)速為5800rpm、轉(zhuǎn)矩為100N.m時，電機(jī)A4點正上方2cm處噪聲A聲級的總聲壓級為81.19dB(A)，可見：

（1）當(dāng)頻率為773.4Hz、1547Hz、2320Hz、3094Hz、3867Hz、4639Hz時，亦即當(dāng)頻率為電源頻率的偶數(shù)倍時，驅(qū)動電機(jī)A4點正上方2cm處的A聲級幅值較大。這與理論推導(dǎo)結(jié)論公式（10）相符，由正弦波電流引起。

圖13 部分噪聲試驗譜線

圖14 電機(jī)A4 點上方2cm處噪聲頻譜圖

（2）當(dāng)頻率為96.7Hz、193.4Hz、290.1Hz、386.8Hz、……時，亦即當(dāng)頻率為轉(zhuǎn)動頻率的整數(shù)倍時，驅(qū)動電機(jī)A4點正上方2cm處的A聲級亦有幅值。這可能由滾動軸承、時間諧波電流等情況引起。

4.3 異常噪聲發(fā)生工況下聲源探測

轉(zhuǎn)速為5800rpm、轉(zhuǎn)矩為100N.m時分析聲速分布，如圖15所示，可知此工況下，端蓋為主要聲源。

圖15 轉(zhuǎn)速為5800rpm、轉(zhuǎn)矩為100N.m時聲速分布圖

5 結(jié)論

本文進(jìn)行了電動汽車永磁同步驅(qū)動電機(jī)的振動噪音機(jī)理分析，建立以轉(zhuǎn)速為輸入信號和以噪聲頻率與階次為輸出信號的電機(jī)振動噪聲理論模型，并推導(dǎo)出A聲級理論譜線。測試永磁同步電機(jī)振動噪聲，并驗證理論分析的正確性，識別被測電機(jī)的異常噪聲源。

簡化了永磁同步電機(jī)噪聲的分析過程，可以快速分析定位電機(jī)噪聲的產(chǎn)生原因，為其它類似項目的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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Modeling and Analyzing of Vibration& Noise of Driving PMSM of Electric Vehicle

Ning Xingjiang

( AIWAYS (Shanghai) Automobile Co., Ltd, Shanghai 200090 )

Noise of driving motor of a pure electric prototype vehicle was complained while testing. Three steps were implemented in order to diagnose and identify the sources of noise. Firstly, the mechanism of vibration& noise of PMSM was analyzed, the theoretical model of PMSM vibration& noise with relationship between input rotation speed and output noise frequency & order was established. Theoretical spectrum lines of PMSM noise of A-weighted sound level was deduced simultaneously. Secondly, the vibration& noise of the PMSM was tested, experimental spectrum lines of noise of A- weighted sound level was disclosed. Finally, the theoretical model is proved by comparison of theoretical predictions and experimental results. And the noise resources are diagnosed and identified too. Thus the theoretical model combine with experiment can identify the abnormal noise resources of PMSM quickly.

electric vehicle; PMSM; vibration& noise; theoretical spectrum lines of noise; experimental spectrum lines of noise

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1671-7988(2019)03-13-05

U469.72

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1671-7988(2019)03-13-05

U469.72

寧興江（1980-)，男，碩士，工程師，任愛馳汽車（上海）限公司電驅(qū)動與充電總監(jiān)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.004