摘要：采用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)對(duì)電動(dòng)汽車低頻振動(dòng)噪聲進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)理論與仿真分析，確定了電磁激振力頻率與轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)振型頻率接近引發(fā)的轉(zhuǎn)子扭振，是導(dǎo)致電機(jī)在轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 下運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)噪聲-振動(dòng)-聲振粗糙度（NVH）問(wèn)題的主要原因。對(duì)此，采用了轉(zhuǎn)子斜極優(yōu)化、轉(zhuǎn)子軸徑尺寸優(yōu)化和轉(zhuǎn)子整體注塑等3 種不同方法進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)驗(yàn)證，上述3 種方法均能有效解決電機(jī)在低頻下的振動(dòng)噪聲，且與原始設(shè)計(jì)方案相比，電機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 下的NVH 幅值降低了8 dB 以上。

關(guān)鍵詞：噪聲-振動(dòng)-聲振粗糙度（NVH）；彎扭模態(tài)；斜極優(yōu)化；轉(zhuǎn)子軸徑；整體注塑

0 前言

隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性與舒適性已成為衡量電動(dòng)汽車性能的重要指標(biāo)。電機(jī)作為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心動(dòng)力元件，其噪聲-振動(dòng)-聲振粗糙度（NVH）特性對(duì)電動(dòng)汽車的駕乘體驗(yàn)有著顯著影響［1-2］。目前，轉(zhuǎn)子分段斜極技術(shù)是電動(dòng)汽車電機(jī)設(shè)計(jì)中用來(lái)抑制電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH問(wèn)題的一種有效方法。文獻(xiàn)［3］研究了轉(zhuǎn)子采用分段斜極及表面開(kāi)2 組對(duì)稱輔助槽結(jié)構(gòu)的方法能夠有效降低電機(jī)低階齒諧波，并避免與定子鐵芯固有頻率的共振。文獻(xiàn)［4］研究了轉(zhuǎn)子分段斜極對(duì)電機(jī)徑向電磁力波的抑制原理，并通過(guò)仿真計(jì)算與樣機(jī)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了理論分析的正確性。文獻(xiàn)［5］研究了電磁激振力對(duì)定子鐵芯產(chǎn)生形變的機(jī)理，進(jìn)而解釋了轉(zhuǎn)子分段斜極減振降噪的有效性，并通過(guò)三維仿真及振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了定子鐵芯形變是引發(fā)電機(jī)振動(dòng)噪聲的主要原因。文獻(xiàn)［6］研究了一字形和V 形斜極轉(zhuǎn)子對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，雖然在斜極角度偏小的情況下V 形斜極效果較差，但可以消除電機(jī)的軸向不平衡磁拉力。文獻(xiàn)［7］研究了轉(zhuǎn)子分段斜極段數(shù)及斜極角度對(duì)電機(jī)性能和振動(dòng)噪聲的影響，通過(guò)理論分析，得出選擇合適的斜極角度和轉(zhuǎn)子分段數(shù)既能兼顧電磁轉(zhuǎn)矩的大小又能降低電機(jī)噪聲。綜上所述，雖然不少學(xué)者對(duì)分段斜極轉(zhuǎn)子在降低電機(jī)徑向電磁力上進(jìn)行過(guò)深入研究，但卻未考慮不同轉(zhuǎn)子分段斜極方案對(duì)轉(zhuǎn)子彎扭模態(tài)的影響因素，例如，當(dāng)轉(zhuǎn)子采用斜極方案后，原來(lái)可以視為整體的轉(zhuǎn)子，現(xiàn)在被分成了幾段錯(cuò)開(kāi)一定角度的獨(dú)立部分，這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子增加新的模態(tài)（轉(zhuǎn)子彎扭模態(tài)），轉(zhuǎn)子彎扭模態(tài)極易造成轉(zhuǎn)子扭振現(xiàn)象，同樣會(huì)造成電機(jī)的低頻噪聲。

本文以某品牌純電動(dòng)汽車在車速為50 km/h的低速行駛時(shí)產(chǎn)生的嘯叫噪聲為研究對(duì)象，利用有限元方法對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲，以及轉(zhuǎn)子模態(tài)進(jìn)行了仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)子的模態(tài)測(cè)試結(jié)果，鎖定車輛在低速行駛過(guò)程中產(chǎn)生嘯叫噪聲的主要原因，并結(jié)合理論分析采用3 種不同方法對(duì)電機(jī)的振動(dòng)噪聲進(jìn)行了優(yōu)化，最后通過(guò)臺(tái)架的半消聲實(shí)驗(yàn)室測(cè)試進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：通過(guò)轉(zhuǎn)子斜極優(yōu)化、轉(zhuǎn)子軸徑尺寸優(yōu)化，以及轉(zhuǎn)子整體注塑等方法，能夠有效抑制轉(zhuǎn)子扭振造成的低頻噪聲。

1 NVH 原因分析

在某品牌純電動(dòng)汽車路試過(guò)程中，客戶抱怨當(dāng)車速達(dá)到50 km/h 時(shí)，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)明顯的嘯叫噪聲，且車速在低于或超過(guò)50 km/h 時(shí)，嘯叫噪聲消失。為明確噪聲問(wèn)題點(diǎn)，對(duì)電機(jī)總成進(jìn)行了半消聲實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可以看出，當(dāng)頻率為2 900 Hz 時(shí)有明顯的高亮共振帶出現(xiàn)，且頻率階次為48。如圖2 所示，提取48 階次切片圖，可以明顯看到對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速3 602 r/min 時(shí)，電機(jī)噪聲出現(xiàn)明顯尖峰，其幅值為76 dB。因該嘯叫聲出現(xiàn)時(shí)車速較低，風(fēng)噪較小，所以問(wèn)題較為突出，進(jìn)而引起客戶極大抱怨。

為排查電機(jī)的NVH 問(wèn)題起因，對(duì)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 處的NVH 性能是跟隨轉(zhuǎn)子變化而發(fā)生改變的，這說(shuō)明該NVH 問(wèn)題主要由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁引起［2］。為此，對(duì)轉(zhuǎn)子的模態(tài)進(jìn)行了仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比，如圖3 和圖4所示。

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子模態(tài)仿真與實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，其結(jié)果如表1 所示。由表1 中數(shù)據(jù)可知，模態(tài)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差較小，均在可接受范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)實(shí)測(cè)頻率與電機(jī)在轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 時(shí)出現(xiàn)的48 階次振動(dòng)頻率（2 882 Hz）接近。

為進(jìn)一步快速驗(yàn)證結(jié)果的正確性，采用轉(zhuǎn)軸和齒輪軸系模型進(jìn)行仿真，不帶總成殼體，并在轉(zhuǎn)軸上施加轉(zhuǎn)子48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵(lì)，其結(jié)果如圖5 和圖6 所示。由圖6 可見(jiàn)，在頻率2 900 Hz 時(shí)，即轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 附近，電機(jī)噪聲出現(xiàn)顯著峰值，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，說(shuō)明轉(zhuǎn)子共振是引起本次NVH 問(wèn)題的主要原因。

2 轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)優(yōu)化

原狀態(tài)下的8 段轉(zhuǎn)子鐵芯采用V 形對(duì)稱斜極，且每段轉(zhuǎn)子斜極角度均為1.875°，這種斜極方式可有效減小轉(zhuǎn)子軸向方向的不平衡磁拉力，其斜極方式如圖7 所示，電機(jī)的定轉(zhuǎn)子模型如圖8 所示。

利用軟件對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子進(jìn)行二維有限元仿真，并對(duì)每段轉(zhuǎn)子的峰值轉(zhuǎn)矩進(jìn)行一維傅里葉變換分解，由于8 段轉(zhuǎn)子采用V 形對(duì)稱斜極，本文只對(duì)前4 段轉(zhuǎn)子進(jìn)行仿真，進(jìn)而得到每段轉(zhuǎn)子在峰值轉(zhuǎn)矩工況下的48 階次諧波轉(zhuǎn)矩及相位角度。48 階次諧波轉(zhuǎn)矩結(jié)果如表2 所示。從轉(zhuǎn)軸的軸肩方向看，8段轉(zhuǎn)子鐵芯的48 階諧波轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)軸上的效果如圖9 所示。

經(jīng)過(guò)諧波轉(zhuǎn)矩計(jì)算，4 段轉(zhuǎn)子的48 階諧波轉(zhuǎn)矩相位并未完全抵消，合成轉(zhuǎn)矩的相位角為介于180°～270°之間的固定值。將48 階諧波轉(zhuǎn)矩作為激勵(lì)源施加到轉(zhuǎn)子軸系上，通過(guò)仿真計(jì)算分析轉(zhuǎn)子軸系的模態(tài)情況，仿真結(jié)果如圖10 所示。

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子軸系的模態(tài)分析可以看出，轉(zhuǎn)子鐵芯的48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵(lì)作用在轉(zhuǎn)子軸系上產(chǎn)生的振型呈V 形，與轉(zhuǎn)子軸系固有的二階彎扭模態(tài)振型相接近，且實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)子的二階彎扭頻率2 900 Hz 與8 段轉(zhuǎn)子鐵芯產(chǎn)生的48 階諧波轉(zhuǎn)矩頻率2 882 Hz相接近，因此，8 段轉(zhuǎn)子鐵芯產(chǎn)生的48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源的振型和頻率與轉(zhuǎn)子的二階彎扭模態(tài)的振型和頻率均相近，從而引起共振，這是導(dǎo)致電機(jī)在轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 時(shí)產(chǎn)生NVH 問(wèn)題的主要原因［8］。

為避免轉(zhuǎn)子48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源與轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)的頻率和振型相接近而發(fā)生共振，可通過(guò)優(yōu)化電磁激勵(lì)源，即調(diào)整轉(zhuǎn)子斜極角度，或提高轉(zhuǎn)子軸系整體剛性，即轉(zhuǎn)子軸加粗、轉(zhuǎn)子整體注塑等方法解決該問(wèn)題。

2. 1 轉(zhuǎn)子斜極優(yōu)化

通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)子斜極角度改變轉(zhuǎn)子48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵(lì)的相位角度差，以降低各段轉(zhuǎn)子因諧波轉(zhuǎn)矩激勵(lì)疊加產(chǎn)生的峰值，從而達(dá)到優(yōu)化電磁激勵(lì)源的目的［9］。未斜極轉(zhuǎn)子和斜極轉(zhuǎn)子的示意圖如圖11所示。通過(guò)轉(zhuǎn)子分段斜極優(yōu)化電磁轉(zhuǎn)矩諧波激勵(lì)源的原理如圖12 所示。

對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的斜極角度進(jìn)行優(yōu)化，在不改變轉(zhuǎn)子鐵芯模具前提下，將轉(zhuǎn)子鐵芯疊壓的順序從原狀態(tài)的1—2—3—4—4—3—2—1 改成3—1—2—4—4—2—1—3，如圖13 所示。通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子鐵芯疊壓順序，使8 段轉(zhuǎn)子鐵芯產(chǎn)生的48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源的振型發(fā)生變化，從V 形振型變?yōu)閃 形振型，進(jìn)而與轉(zhuǎn)軸二階彎扭模態(tài)產(chǎn)生的振型相異，因此能夠消除因諧波轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源共振引起的NVH 問(wèn)題。

對(duì)優(yōu)化后的新斜極轉(zhuǎn)子采用上述相同的仿真方法，即先對(duì)每段轉(zhuǎn)子鐵芯進(jìn)行48 階諧波轉(zhuǎn)矩仿真，再將48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵(lì)加載到轉(zhuǎn)子軸系上進(jìn)行轉(zhuǎn)矩諧波響應(yīng)仿真分析。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，在2 000～3 000 Hz 附近，電機(jī)整體的聲功率水平有明顯的下降，噪聲幅值最大處降低約14%，如圖14 所示。

從理論分析的角度出發(fā)，采用3—1—2—4—4—2—1—3 的新斜極轉(zhuǎn)子主要是改變了8 段轉(zhuǎn)子鐵芯產(chǎn)生的48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源振型的相位，進(jìn)而降低了與轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)的共振。在轉(zhuǎn)速3 602 r/min 下，優(yōu)化后的新斜極轉(zhuǎn)子噪聲峰值減小約16 dB，降噪效果較為明顯，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖15 所示。但是，改變激勵(lì)源振型的相位無(wú)法完全解決與轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)共振頻率相同的問(wèn)題，因此電機(jī)在運(yùn)行至轉(zhuǎn)速為3 602 r/min 時(shí)其噪聲幅值可降低，但因共振頻率相同而導(dǎo)致的噪聲尖峰并未消失。

2. 2 轉(zhuǎn)子軸徑尺寸優(yōu)化

如上文所述，在轉(zhuǎn)子斜極優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子軸徑尺寸，進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)子的NVH 問(wèn)題。轉(zhuǎn)子軸徑的優(yōu)化可通過(guò)研究無(wú)約束梁的模態(tài)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。描述無(wú)約束梁的各階模態(tài)頻率公式如下［10］：

通過(guò)以上公式可知，無(wú)約束梁的模態(tài)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度成反比，與軸徑成正比，因此通過(guò)增加軸徑尺寸能夠有效提升轉(zhuǎn)軸的二階彎扭模態(tài)頻率，使8 段轉(zhuǎn)子鐵芯共同產(chǎn)生的48 階諧波轉(zhuǎn)矩的激勵(lì)頻率與其不同，進(jìn)而避免因共振而帶來(lái)的NVH 問(wèn)題。將電機(jī)轉(zhuǎn)子軸徑由48 mm 增加至60 mm 進(jìn)行模態(tài)仿真。轉(zhuǎn)子模態(tài)仿真如圖16 所示，模態(tài)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3 可知，模態(tài)仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，誤差小于6.5%，且與理論分析結(jié)果一致，表明通過(guò)增加轉(zhuǎn)子軸徑可以提高轉(zhuǎn)軸的二階彎扭模態(tài)頻率。對(duì)轉(zhuǎn)子軸徑為60 mm 的轉(zhuǎn)子總成進(jìn)行了半消聲實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖17 所示。

在轉(zhuǎn)速3 602 r/min 附近，轉(zhuǎn)子軸徑為60 mm的電機(jī)振動(dòng)噪聲峰值向后偏移，主要原因是軸徑加粗后轉(zhuǎn)軸的二階彎扭模態(tài)頻率提高，與轉(zhuǎn)子48 階諧波轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源頻率不同頻，無(wú)法引起共振，噪聲波形尖峰向轉(zhuǎn)速高的區(qū)間后移且幅值減小約10 dB。

2. 3 轉(zhuǎn)子整體注塑

由于原狀態(tài)轉(zhuǎn)子由獨(dú)立的8 段轉(zhuǎn)子鐵芯物理堆疊而成，兩端使用鋁板進(jìn)行壓緊來(lái)限制其軸向方向的移動(dòng)。而段間轉(zhuǎn)子的結(jié)合強(qiáng)度較低，因此無(wú)法有效約束每段轉(zhuǎn)子鐵芯在圓周方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。這意味著整個(gè)轉(zhuǎn)子的彎扭剛度較低。通過(guò)轉(zhuǎn)子整體注塑的方式，將8 段轉(zhuǎn)子鐵芯形成整體結(jié)構(gòu)，以提升轉(zhuǎn)子的整體剛性，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)頻率，降低共振發(fā)生的概率。將8 段轉(zhuǎn)子鐵芯采用耐高溫?zé)峁绦圆牧线M(jìn)行注塑粘合，該注塑材料可在轉(zhuǎn)子段間增加約80 MPa 的剪切應(yīng)力，且可耐高溫260 ℃。經(jīng)過(guò)模態(tài)測(cè)試，一階彎扭實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如圖18 所示，二階彎扭實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如圖19 所示，實(shí)測(cè)彎扭模態(tài)結(jié)果見(jiàn)表4。

對(duì)整體注塑轉(zhuǎn)子進(jìn)行裝機(jī)實(shí)測(cè)，并進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)試結(jié)果如圖20 所示。由圖20 可以看出，由于整體注塑轉(zhuǎn)子的二階彎扭模態(tài)頻率提高，原處于轉(zhuǎn)速3 602 r/min 附近的振動(dòng)噪聲波形尖峰后移至轉(zhuǎn)速4 200 r/min，且波形尖峰值下降約8 dB。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了因電磁激振力頻率與轉(zhuǎn)子二階彎扭模態(tài)頻率接近引發(fā)轉(zhuǎn)子扭振的優(yōu)化過(guò)程。通過(guò)理論分析、仿真計(jì)算和臺(tái)架實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了3 種有效的解決方案，包括轉(zhuǎn)子斜極角度優(yōu)化、轉(zhuǎn)子軸徑尺寸優(yōu)化，以及轉(zhuǎn)子整體注塑。3 種方案均能不同程度降低電機(jī)在轉(zhuǎn)速3 602 r/min 附近產(chǎn)生的NVH 問(wèn)題，采用轉(zhuǎn)子斜極角度優(yōu)化方案取得的結(jié)果最為明顯，可降低噪聲幅值約16 dB。根據(jù)電機(jī)優(yōu)化的實(shí)際情況，通過(guò)綜合采用3 種方案，可以有效改善電機(jī)的NVH 問(wèn)題。

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