某混合動力汽車電機噪聲分析和降噪設(shè)計

鐘文彬，黃森，張軍輝

(菲亞特克萊斯勒亞動力科技研發(fā)(上海)有限公司，上海 201800)

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某混合動力汽車電機噪聲分析和降噪設(shè)計

鐘文彬，黃森，張軍輝

(菲亞特克萊斯勒亞動力科技研發(fā)(上海)有限公司，上海 201800)

摘要：混合動力電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比結(jié)構(gòu)差異較大，傳動系統(tǒng)及運行模式作了改變，致使傳動系統(tǒng)在不同模式下表現(xiàn)出不同的NVH問題。以某開發(fā)過程中的混合動力轎車動力總成為研究對象，針對其開發(fā)過程中出現(xiàn)的電機高頻噪聲過大問題，采取正向設(shè)計方法進行優(yōu)化，提升了該電機的NVH性能，其聲品質(zhì)有大幅提高。研究內(nèi)容對工程實際具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：混合動力電動汽車；NVH；電機

0引言

混合動力電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比結(jié)構(gòu)差異較大，傳動系統(tǒng)及其運行模式作了改變，致使整車的振動噪聲與傳統(tǒng)車相比具有新特點，傳動系統(tǒng)在不同模式下表現(xiàn)出不同的NVH問題[1-2]，使得振動噪聲的控制更為復(fù)雜，較低的背景噪聲使得原來傳統(tǒng)汽車中被掩蓋的噪聲凸顯出來，電機的高頻電磁噪聲會嚴重降低車內(nèi)噪聲的聲音品質(zhì)，同時降低乘坐舒適性。另外，電機的高扭矩和高轉(zhuǎn)速特性對齒輪系統(tǒng)的高頻嘯叫噪聲控制提出了新挑戰(zhàn)，電動汽車動力總成振動噪聲問題不單單是發(fā)動機和變速器的結(jié)構(gòu)噪聲和燃燒噪聲問題，傳動結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致發(fā)動機、電機、齒輪系統(tǒng)之間耦合振動更為復(fù)雜。目前針對電動汽車NVH研究的相關(guān)文獻較少，振動噪聲設(shè)計應(yīng)該是正向設(shè)計而不是逆向設(shè)計，振動噪聲問題應(yīng)該在設(shè)計階段就進行杜絕和優(yōu)化，而不是出廠和售后問題。文中以某開發(fā)過程中的混合動力轎車動力總成為研究對象，對其開發(fā)過程中電機高頻噪聲過大問題進行正向設(shè)計，采取優(yōu)化措施，提升了該電機的NVH性能，其聲品質(zhì)有大幅提高，對工程實際有指導(dǎo)意義。

1問題描述及NVH測試

該車型的動力傳動系由發(fā)動機、行星齒輪系統(tǒng)、主電機、電池組、后驅(qū)電機組成。樣車在試車階段純電動模式驅(qū)動，電機轉(zhuǎn)速6 250 r/min時，駕駛室存在高頻電磁噪聲，車內(nèi)噪聲主觀評價較差，聲品質(zhì)較差；另外起步階段電機的高頻電磁噪聲同樣較大。該電機為8極48槽(極對數(shù)p=4)同步電機，該混合動力汽車的動力傳動系簡圖如圖1所示。

圖2為電機振動噪聲測試實驗臺，在電機的右側(cè)距離外殼1 m處布置傳聲器，在殼體中間位置安裝三向加速度傳感器，利用LMS TEST.LAB振動噪聲測試系統(tǒng)，主要測試在全負荷300 N·m時按照500 r/(min·s)的升速速率，采集電機振動噪聲隨電機轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

由圖3—5可知：前驅(qū)電機的24階和48階為主要噪聲源，其中48階的噪聲貢獻最大，特別是在6 250 r/min時達到峰值。由于頻率達到5 000 Hz，產(chǎn)生“刺耳”的高頻電磁噪聲。滿載300 N·m時48階的噪聲水平與總體Overall Level的噪聲水平持平，達到100 dB(A)，作為主要噪聲源，要降低電機的整體噪聲必須降低48階的噪聲貢獻量。

為了進一步了解系統(tǒng)的動態(tài)固有特性，對電機定子進行了自由模態(tài)測試，結(jié)果見圖6。

前9階模態(tài)頻率是：600、849、1 550、1 833、2 867、3 291、3 148、4 686、5 148 Hz，48階在6 250 r/min時激勵頻率與第9階模態(tài)頻率接近，定子在徑向力波的作用下處于共振狀態(tài)。

2同步電機噪聲的計算及降噪措施

同步電機的噪聲具有以下特點:

(1)定子和轉(zhuǎn)子合成磁場基波產(chǎn)生的振動具有電網(wǎng)2倍的頻率，振動的幅度正比于氣隙磁密的平方；

(2)由于任何一對定子磁勢建立的磁密為Bv的旋轉(zhuǎn)波和轉(zhuǎn)子磁勢建立的磁密為Bu的旋轉(zhuǎn)波相互作用會產(chǎn)生較高頻率的振動，它們當中最強的是齒諧波；

(3)在考慮相互作用的磁場Bv、Bu時，必須注意只是產(chǎn)生最大力波的磁場及振動力波次數(shù)r最小的諧波。

2.1電機噪聲計算

力波次數(shù)r計算如下[3-5]：

子磁場諧波v為：

v=(6q1+1)pq1=0，±1，±2，…

(1)

轉(zhuǎn)子諧波u為：

u=(2q2+1)pq2=0,1,2，…

(2)

力波數(shù)r為：

r=u±v

(3)

其中：p為電機極對數(shù)；q1、q2分別為每極每相槽數(shù)。

r=u+v時,諧波頻率f：

f=2fN(q2+1)

(4)

r=u-v時, 諧波頻率f：

f=2fNq2

(5)

(6)

式中：fN是轉(zhuǎn)速為N時電磁旋轉(zhuǎn)頻率；f0為電機轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)頻。

定子一階齒諧波-44時，查表1得q2=5,所以諧波頻率：

f=2·fN·(5+1)=48f0

(7)

定子一階齒諧波52時，查表1得q2=6,則諧波頻率：

f=2·fN·6=48f0

由式(7)和(8)可知：定子一階齒諧波-44、52對應(yīng)主要振動階次剛好為48階。一階齒諧波引起的48階振動是最強的，其力波數(shù)r=0。

當轉(zhuǎn)速為6 250 r/min時，定子和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)波相互作用,產(chǎn)生的激振頻率為：

由于定子和轉(zhuǎn)子之間力波周期性振動，當該激勵頻率與電機轉(zhuǎn)子和定子固有頻率重合時會激發(fā)更大的噪聲。要降低48階的噪聲輻射，從2個方面考慮：(1)降低激振力；(2)改變固有頻率。由于電機的轉(zhuǎn)速范圍較廣，通過給定子加筋板、優(yōu)化模態(tài)可以使固有頻率偏移，但是在固有頻率偏移幅度不大的情況下，無法從根本上降低噪聲，因此作者考慮降低激振力，也就是轉(zhuǎn)子和定子之間相互徑向作用力。

轉(zhuǎn)子定子徑向力計算如下：

定子轉(zhuǎn)子諧波相互作用產(chǎn)生力波振幅P：

(9)

比徑向力P0：

(10)

定子機械阻抗zc：

ω=2πf

(11)

已知定子的等效質(zhì)量mc，定子內(nèi)圓半徑R0，定子軛平均半徑Rc，立波數(shù)r=0時，等效柔度λc：

(12)

其中：h為定子軛高度；Rc為定子軛平均半徑；E為彈性模量。

定子鐵心表面的振動速度v：

(13)

由式(13)可知：在機械阻抗不變的情況，降低定子轉(zhuǎn)子諧波相互作用產(chǎn)生的力波振幅P,便可降低定子殼體表面振動速度，從而達到降噪的目的。

2.2電機噪聲的抑制措施及效果

該電機轉(zhuǎn)子有8極，在轉(zhuǎn)子每極增加3個小槽。增加小槽改善了磁通。通過CAE仿真得出的定子和轉(zhuǎn)子相互作用徑向力幅值對比(48階，在6 250 r/min時)見圖7。

對于8極48槽3相電機來說,只需計算第1槽和第2槽2個槽的轉(zhuǎn)子和定子之間的徑向力，其他46齒與2齒有共同規(guī)律，計算結(jié)果見圖8和圖9。

從圖8和圖9可見徑向力明顯減小了,通過噪聲測試發(fā)現(xiàn)表面振速幅值降低約37%，通過測試其噪聲水平也大幅降低。

雖然激振頻率還是5 000 Hz，但是由于48階的徑向力和總的徑向力大幅度下降，振動能量降低了，定子殼體表面振動輻射的聲壓級也大幅下降，最終降低了噪聲輻射水平，達到了改善聲品質(zhì)的目的。

3結(jié)論

文中通過試驗和仿真相結(jié)合對開發(fā)過程中電機高頻噪聲過大問題進行正向設(shè)計，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，降低了轉(zhuǎn)子定子徑向力激振力，最終提升了該電機的NVH性能，其聲品質(zhì)有大幅提高，對工程實際有一定指導(dǎo)意義。

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Noise Analysis and Reduction Design for Hybrid Vehicle Motor

ZHONG Wenbin, HUANG Sen, ZHANG Junhui

(Fait Chrysler Powertrain Technologies Shanghai R & D Co.,Ltd., Shanghai 201800,China)

Keywords:Hybrid vehicle; NVH;Motor

Abstract:Compared with traditional vehicle,electrical vehicle’s power train is different.Its transmission system and operating mode are changed, these changes show different NVH problems.Taking a hybrid vehicle as the research object,its motor existed a very high frequency noise in the design phase.In order to optimize its NVH characteristic,measures were promoted to advance its NVH performance after redesigning its rotor structure,so its sound quality had greatly improved.The research has guiding significance for engineering practice.

收稿日期：2016-02-24

作者簡介：鐘文彬(1983—)，男，高級工程師，研究領(lǐng)域為新能源汽車動力系統(tǒng)集成與控制策略。E-mail：wenbin.zhong@fcagroup.com。

中圖分類號:U467

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)05-050-04