電動汽車電動機(jī)噪聲分析與優(yōu)化

閆云敬 董志輝 覃振杰

關(guān)鍵詞：電動汽車 電動機(jī)噪聲 分析 優(yōu)化

1 引言

在電動汽車中，電機(jī)系統(tǒng)與電動汽車的動力、安全、經(jīng)濟(jì)及噪音振動等方面的性能，存在著緊密的聯(lián)系。因此，在生產(chǎn)電動汽車時(shí)，電機(jī)系統(tǒng)的選擇非常關(guān)鍵，實(shí)踐證明，功率密度大、轉(zhuǎn)矩密度大、低速重載性能好、調(diào)速范圍寬、高效區(qū)寬、穩(wěn)定性好、噪音低的電機(jī)系統(tǒng)是最佳選擇。如果采用高轉(zhuǎn)速和高功率的電機(jī)系統(tǒng)，那么它的噪音問題就特別嚴(yán)重。為了提高大眾對電動汽車的使用體驗(yàn)，加強(qiáng)對電動汽車電機(jī)系統(tǒng)的研究具有重要的意義。

2 簡述電動汽車中的電機(jī)系統(tǒng)

與工業(yè)上使用的電機(jī)具有較大的不同性，應(yīng)用在電動汽車上的電機(jī)系統(tǒng)需要具備一定的使用特點(diǎn)，例如，能夠適用加速、減速、爬坡、頻繁的啟動等操作要求，不管是高速行駛，還是低速行駛，高轉(zhuǎn)矩和低轉(zhuǎn)矩能夠轉(zhuǎn)換自如。實(shí)踐中，電動汽車驅(qū)動電機(jī)具體的要求主要包括以下幾點(diǎn)：其一，過載能力必須要達(dá)到要求，一般需要具備四倍左右的過載能力，不管是短時(shí)的加速，還是需要爬坡行駛，都能滿足使用者的需要，提供良好的駕駛體驗(yàn)。其二，以巡航時(shí)的速度為基準(zhǔn)，電動汽車的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)其的五倍之多。其三，在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，使用效率都非常令人滿意。其四，電動汽車的驅(qū)動電機(jī)具有良好的動態(tài)性、性能的穩(wěn)定性、控制性和可靠性，工作狀況令人滿意。

在實(shí)踐中，依據(jù)電動汽車使用的牽引電機(jī)類型的差異性，可以范圍直流驅(qū)動系統(tǒng)和交流驅(qū)動系統(tǒng)。感應(yīng)電動機(jī)、永磁同步電機(jī)及開關(guān)磁阻電動機(jī)是交流驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)常會用到的電機(jī)類型。

3 電動汽車電機(jī)系統(tǒng)的噪聲分類

3.1 電磁噪聲

電磁噪聲是電動汽車噪聲的其中一種，其的傳播途徑是磁軛，是氣隙磁波作用在定子鐵心齒上形成的。而電磁噪聲的主要來源是定子鐵心產(chǎn)生的振動變形的徑向分量，當(dāng)徑向電磁力波與定子的固有頻率接近時(shí)，共振現(xiàn)象產(chǎn)生，極大的增強(qiáng)了噪聲的聲量。

在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，帶有旋轉(zhuǎn)的力波是氣隙磁場的表現(xiàn)形式，此狀態(tài)下產(chǎn)生的電磁力具有交變的特性。氣隙磁場中不僅包括主磁通，還包含有很多的諧波分量，它們所具備的頻率并不是相等的，通常與齒數(shù)、槽數(shù)有很大的關(guān)系，是這些數(shù)量關(guān)系的數(shù)倍之多。

產(chǎn)生電磁噪聲還具有一些其他的原因：

（1）鐵心飽和導(dǎo)致的。當(dāng)鐵心處于飽和狀態(tài)時(shí)，磁場正弦分布的頂端就會變得平坦，諧波的分量就會被分次數(shù)的增強(qiáng)，最終使得電磁噪聲被放大了。

（2）開口槽方面造成的影響。眾所周知，不管是定子，還是轉(zhuǎn)子，它們的槽都是開口槽，氣隙磁導(dǎo)在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候是不穩(wěn)定的，處于不斷的變化和波動中。氣隙磁場中出現(xiàn)了很多在基波磁勢作用下產(chǎn)生的“槽開口波”。它們與氣隙和槽開口大小有很大的關(guān)系，氣隙越小，槽口越寬，幅值相應(yīng)的就會越大。

3.2 機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲的產(chǎn)生是無法避免的，是任何的機(jī)械零件在運(yùn)動的過程中，都可能產(chǎn)生的。在電動汽車的電機(jī)系統(tǒng)中，機(jī)械噪聲和電磁噪聲具有千絲萬縷的聯(lián)系。如果存在著結(jié)構(gòu)振動，電磁場就會受到一定的影響。同樣的，電磁力的存在，也會對機(jī)構(gòu)件的振動頻率和幅值產(chǎn)生一定的影響。機(jī)械噪聲并不是一成不變的，而是會隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載電流的大小大變化而發(fā)生相應(yīng)的增大或者降低的變化。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，機(jī)械噪聲成為電機(jī)噪聲的最主要的形式，當(dāng)然，這其中少不了軸承、結(jié)構(gòu)及電刷等產(chǎn)生的共振而產(chǎn)生的噪聲。

電動汽車的電機(jī)主要用到滾動軸承和滑動軸承?；瑒虞S承的特點(diǎn)是噪聲角度，主要運(yùn)用在大型的電機(jī)和微型電機(jī)當(dāng)中。而滾動軸承的優(yōu)勢比較明顯，不僅承載能力較大，而且穩(wěn)定性較強(qiáng)，維護(hù)工作比較容易。但是其的劣勢也不能忽視，那就是運(yùn)行中會產(chǎn)生較大的噪聲，成為電機(jī)的主要噪聲源。產(chǎn)生機(jī)械噪聲最常見的原因是轉(zhuǎn)子運(yùn)動時(shí)平衡性較差造成的。如果其的頻率和旋轉(zhuǎn)頻率具有高度的一致性，那么產(chǎn)生的噪聲往往是低頻噪聲。而如果定子、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率具有較大差異時(shí)，就會產(chǎn)生較大的機(jī)械噪聲。

3.3 空氣動力噪聲

在電動汽車中，電機(jī)產(chǎn)生的空氣動力噪聲具有笛鳴噪聲和渦流噪聲之分。渦流噪聲產(chǎn)生的原因，主要是由于轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇共同作用產(chǎn)生，它們產(chǎn)生的冷卻空氣湍流在旋轉(zhuǎn)表面交替出現(xiàn)渦流引起的，具有較大涉及面。而笛鳴噪聲的產(chǎn)生，主要是由于空氣被過分壓縮，或者空氣在固定的障礙物上遭到了摩擦而產(chǎn)生的，同理人們?nèi)粘４悼谏诘那樾巍ＰD(zhuǎn)電機(jī)空氣動力噪聲的產(chǎn)生是無法回避的，噪聲的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子的表面圓周速度、表面粗糙度、風(fēng)扇的空氣動力特性和突出的零件形狀都有關(guān)系?？諝鈩恿υ肼暿怯呻S軸儀器旋轉(zhuǎn)的冷卻風(fēng)扇造成的空氣流動形成的噪聲，與風(fēng)扇與轉(zhuǎn)子的形狀、表面的粗糙度、風(fēng)道的形狀等有著緊密關(guān)系。

4 電動車降噪優(yōu)化措施分析

4.1 應(yīng)對電磁噪聲的方法

重視抓極的設(shè)計(jì)工作，體現(xiàn)出一定的合理性，構(gòu)成正弦勵(lì)磁場環(huán)境，盡量減少諧波的干擾;規(guī)避低磁力波的干擾，做好槽配合的選擇;氣隙磁密必須做好科學(xué)性的選擇;定子和轉(zhuǎn)子的裝配很關(guān)鍵，做好圓度和同軸度的調(diào)節(jié)，對降低電磁噪聲是非常有幫助的。

4.2 應(yīng)對結(jié)構(gòu)噪聲的方法

要想有效降低電動汽車的結(jié)構(gòu)噪聲，就需要在轉(zhuǎn)子的動平衡度上下一番功夫。在電動汽車結(jié)構(gòu)件運(yùn)行的基礎(chǔ)上，運(yùn)用轉(zhuǎn)子最大程度實(shí)現(xiàn)動平衡，特別值得注意的是，在電動汽車上運(yùn)用了不等距風(fēng)扇時(shí)，動平衡狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)，不應(yīng)該忽視風(fēng)扇的存在，而應(yīng)該將其的狀態(tài)考慮其中。

另外，減小和隔離結(jié)構(gòu)震動的方法也是非常重要的內(nèi)容點(diǎn)。主要包括：其一，想辦法使得主要結(jié)構(gòu)件的固有頻率與主機(jī)振力頻率相比較，產(chǎn)生較大的差異性。其中最重要的是，結(jié)構(gòu)件的共振動頻率，必須要和高階電磁激振力的振動頻率具有較大的差別性，才能保證降低結(jié)構(gòu)震動的方法是有效的。其二，有必要在電機(jī)端蓋和定子鐵心之間做好聯(lián)結(jié)處理。其三，運(yùn)用一些措施，進(jìn)一步增強(qiáng)電機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的阻尼效力。

5 簡析電動汽車出現(xiàn)噪聲故障的診斷

電動汽車電動機(jī)的噪聲測試通常會在臺架上來完成，測試系統(tǒng)主要包括硬件部分和軟件部分，不同于以往傳統(tǒng)的測試方式，如今硬件測試采用是陣列系統(tǒng)，包含二十幾個(gè)傳聲器。借助MKLL 對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并及時(shí)的傳送至計(jì)算機(jī)終端，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析和處理，噪聲的頻譜的得以呈現(xiàn)，通過電機(jī)噪聲聲場的重建，找到噪聲的準(zhǔn)確位置。

在實(shí)踐中，針對電動汽車電動機(jī)發(fā)出的故障噪聲，開展頻譜的測試，經(jīng)過電機(jī)部件常見頻段和電機(jī)聲場的重建，對尋找和確定電機(jī)故障發(fā)生的準(zhǔn)確位置是非常有幫助的。例如，電動汽車的電動機(jī)軸承出現(xiàn)故障，引起的原因并不是唯一的，可能是使用中的軸承質(zhì)量不好，或者是軸承的安裝不規(guī)范，或者軸承的磨損嚴(yán)重等原因造成的。由此可見，通過對電動汽車噪聲的研究和分析，一定程度上對電動汽車的故障診斷發(fā)揮著重要的作用。例如，駐車背景噪音、真空泵噪音和電池風(fēng)扇噪音測試如下：

結(jié)論：電池風(fēng)扇噪聲是駐車時(shí)的主要噪聲源，經(jīng)1/3 倍頻譜進(jìn)行檢測，峰值主要保持在310Hz 左右，而其他部件噪聲的的影響較小。

6 結(jié)語

隨著生態(tài)環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，電動汽車逐漸走入了大眾的生活當(dāng)中，發(fā)揮著重要的作用，受到人們的廣泛認(rèn)可和喜歡。在實(shí)踐中，電動汽車運(yùn)行中經(jīng)常會出現(xiàn)一些噪聲，引起噪聲的原因很多，需要認(rèn)真分析，并有意識的進(jìn)行優(yōu)化，以便給人們帶來更好的使用體驗(yàn)。