新能源汽車驅(qū)動電機制造層面的NVH分析和優(yōu)化研究

朱克非

摘 要：NVH（Noise Vibration Harshness噪音振動平順性）是新能源汽車行業(yè)衡量驅(qū)動電機的設(shè)計水平和制造質(zhì)量的重要指標。為了從制造過程來分析和優(yōu)化驅(qū)動電機的NVH性能，提升量產(chǎn)電機產(chǎn)品的制造質(zhì)量，本文結(jié)合六西格瑪DMAIC質(zhì)量體系方法，應(yīng)用到車用驅(qū)動電機產(chǎn)品的實際量產(chǎn)制造中，進行了制造產(chǎn)線中NVH相關(guān)的MSA（測量系統(tǒng)分析），利用FTA（故障樹分析）得到了影響電機制造NVH的相關(guān)變量，通過相關(guān)性分析方法和最佳子集回歸法得到了影響制造NVH的關(guān)鍵因素，優(yōu)化并將改善點加入了產(chǎn)線NVH控制計劃。本研究對于提升車用驅(qū)動電機的制造質(zhì)量水平及建立車用驅(qū)動電機制造NVH開發(fā)體系具有重要意義。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 驅(qū)動電機 量產(chǎn)制造 NVH

1 引言

NVH是新能源汽車行業(yè)衡量驅(qū)動電機設(shè)計和制造水平的重要指標，因此NVH性能不僅與電機的電磁、結(jié)構(gòu)和控制設(shè)計相關(guān)，也與電機制造過程中的來料質(zhì)量和裝配工藝密切相關(guān)。很多論文做了驅(qū)動電機、電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計層面的NVH分析優(yōu)化，但是從量產(chǎn)制造層面來研究驅(qū)動電機NVH性能分析優(yōu)化的研究相對較少。

為了保證實際電機產(chǎn)品在大規(guī)模量產(chǎn)制造時的質(zhì)量和工藝一致性，需要建立量產(chǎn)制造層面的電機NVH開發(fā)體系，本文采用六西格瑪質(zhì)量體系的DMAIC方法。六西格瑪質(zhì)量體系包含DFSS和DMAIC兩種方法。DFSS即Design For Six Sigma 六西格瑪設(shè)計，包含DOE（Design of Experiment 實驗設(shè)計）等實用工具，主要應(yīng)用于新產(chǎn)品的設(shè)計。DMAIC方法即Define定義，Measure測量，Analysis分析，Improve改進，Control控制，這一套方法流程主要應(yīng)用于對現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)化改進，如圖1所示。DMAIC方法包含MSA（Measuring System Analysis測量系統(tǒng)分析）、 FTA（Fault Tree Analysis故障樹分析）、Correlation Analysis（相關(guān)性分析）等實用工具。本文主要研究的是對現(xiàn)有量產(chǎn)驅(qū)動電機制造層面的NVH性能做分析優(yōu)化，因此相對于DFSS方法，DMAIC方法更適合應(yīng)用于本研究。

2 基于六西格瑪DMAIC的制造NVH分析優(yōu)化

2.1 項目定義

Define階段需明確要解決的電機制造NVH問題，一般將影響制造產(chǎn)線NVH合格率較大的問題點定義為項目目標。此外，還需要定義項目的背景、時間計劃、預(yù)期經(jīng)濟效益以及項目團隊。由于NVH與電機定轉(zhuǎn)子、機殼等的來料和裝配過程都密切相關(guān)，因此NVH作為一個系統(tǒng)問題，需要成立一個多專業(yè)方向、跨部門的項目組，一般由公司領(lǐng)導(dǎo)層牽頭，同時質(zhì)量部門、工藝部門、生產(chǎn)部門、技術(shù)部門的同事一起組織成立一個六西格瑪小組，并由六西格瑪黑帶大師負責具體指導(dǎo)。

2.2 測量分析

Measure測量主要包含MSA（Measuring System Analysis）測量系統(tǒng)分析和尺寸測量。在尺寸測量之前，首先需要保證測量系統(tǒng)測得的結(jié)果具有較好的一致性，并且可以準確地測量定轉(zhuǎn)子同軸度、疊片高度、垂直度等尺寸，以及電機的振動、電流、轉(zhuǎn)速等物理量。MSA主要是對測量系統(tǒng)的準確性和一致性做分析的。制造產(chǎn)線的測量系統(tǒng)包含了NVH EOL（End of Line）下線檢測臺架、轉(zhuǎn)子動平衡測量儀、電機軸承壓裝力的測量傳感器、電機結(jié)構(gòu)尺寸的三坐標測量儀等。

為了保證出廠的電機產(chǎn)品NVH性能是合格的，不會出現(xiàn)振動噪音較大的情況，需要建立NVH EOL下線檢測臺架，對一段時間內(nèi)的電機做NVH下線測試，進行時域上的幅值分析，頻域上的頻譜分析、階次分析，統(tǒng)計出振動的限值標準，并結(jié)合整車NVH測試的反饋，來設(shè)置NVH的出廠檢測判定標準?；诖藰藴?，對振動值較大的電機做攔截防止不合格品流出，同時對不合格品做故障診斷分析優(yōu)化，并將改善點加入產(chǎn)線NVH控制計劃來加以管控。由于實際生產(chǎn)線所處的環(huán)境并非安靜的半消聲室，產(chǎn)線的環(huán)境噪音對NVH EOL臺架的聲學(xué)測量結(jié)果干擾較大，因此產(chǎn)線上一般用振動代替聲音來檢測下線電機的NVH性能，并且需要對NVH EOL測試臺架做MSA分析。此外，從制造過程中來說，轉(zhuǎn)子動平衡工藝是影響電機NVH的重要工藝，為了保證轉(zhuǎn)子動平衡測量是準確的，需要做轉(zhuǎn)子動平衡測量儀的MSA分析。一般用P/T值（即Precision/Tolerance，即精度/公差）來衡量測量系統(tǒng)的一致性，可以用公式表示為

NVH的MSA P/T=Precision/Tolerance

=6*σms/公差? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中的σms為NVH測量系統(tǒng)的標準差，公差為測量系統(tǒng)的公差。一般來說，NVH相關(guān)的P/T值不大于10%能保證較好的測量準確性和一致性，P/T值在10%到30%之間是屬于有條件接受的范圍，給出相關(guān)的合理分析即可接受，超過30%一般不可接受。

車用電機的振動主要分為低頻機械振動和電磁力激發(fā)的高頻電磁振動，當電機的機械轉(zhuǎn)速升高時，機械振動和電磁振動的頻率也隨之升高。振動頻率與振動階次、電機機械轉(zhuǎn)速（rpm）之間關(guān)系為

振動頻率（Hz）=振動階次*電機機械轉(zhuǎn)速（rpm）/60? ? ? ? ? ? ? ? （2）

例如，當電機機械轉(zhuǎn)速為6000rpm時，機械轉(zhuǎn)頻為100 Hz，1階振動為100Hz，1階振動一般代表的是與電機轉(zhuǎn)子動平衡相關(guān)的振動。對于新能源汽車行業(yè)驅(qū)動電機常用的8極48槽永磁同步電機，主要的電磁振動階次為8階、24階、48階和96階。為了使電機NVH EOL臺架的測量系統(tǒng)具有較好的一致性，本研究優(yōu)化了臺架減震和接地方式、以及電機在臺架上的安裝方式。優(yōu)化后的NVH EOL臺架測得的機械和電磁階次振動值MSA分析結(jié)果如表1所示。