鐘文彬，黃森，張軍輝

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

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某混合動(dòng)力汽車電機(jī)噪聲分析和降噪設(shè)計(jì)

鐘文彬，黃森，張軍輝

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

摘要：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車相比結(jié)構(gòu)差異較大，傳動(dòng)系統(tǒng)及運(yùn)行模式作了改變，致使傳動(dòng)系統(tǒng)在不同模式下表現(xiàn)出不同的NVH問(wèn)題。以某開發(fā)過(guò)程中的混合動(dòng)力轎車動(dòng)力總成為研究對(duì)象，針對(duì)其開發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的電機(jī)高頻噪聲過(guò)大問(wèn)題，采取正向設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化，提升了該電機(jī)的NVH性能，其聲品質(zhì)有大幅提高。研究?jī)?nèi)容對(duì)工程實(shí)際具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車；NVH；電機(jī)

0引言

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

1問(wèn)題描述及NVH測(cè)試

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

圖2為電機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在電機(jī)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(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)，主要測(cè)試在全負(fù)荷300 N·m時(shí)按照500 r/(min·s)的升速速率，采集電機(jī)振動(dòng)噪聲隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

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

為了進(jìn)一步了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)固有特性，對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行了自由模態(tài)測(cè)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(shí)激勵(lì)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(jī)噪聲的計(jì)算及降噪措施

同步電機(jī)的噪聲具有以下特點(diǎn):

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

(2)由于任何一對(duì)定子磁勢(shì)建立的磁密為Bv的旋轉(zhuǎn)波和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)建立的磁密為Bu的旋轉(zhuǎn)波相互作用會(huì)產(chǎn)生較高頻率的振動(dòng)，它們當(dāng)中最強(qiáng)的是齒諧波；

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

2.1電機(jī)噪聲計(jì)算

力波次數(shù)r計(jì)算如下[3-5]：

子磁場(chǎng)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(jī)極對(duì)數(shù)；q1、q2分別為每極每相槽數(shù)。

r=u+v時(shí),諧波頻率f：

f=2fN(q2+1)

(4)

r=u-v時(shí), 諧波頻率f：

f=2fNq2

(5)

(6)

式中：fN是轉(zhuǎn)速為N時(shí)電磁旋轉(zhuǎn)頻率；f0為電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)頻。

定子一階齒諧波-44時(shí)，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(shí)，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(duì)應(yīng)主要振動(dòng)階次剛好為48階。一階齒諧波引起的48階振動(dòng)是最強(qiáng)的，其力波數(shù)r=0。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為6 250 r/min時(shí)，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(dòng)，當(dāng)該激勵(lì)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子固有頻率重合時(shí)會(huì)激發(fā)更大的噪聲。要降低48階的噪聲輻射，從2個(gè)方面考慮：(1)降低激振力；(2)改變固有頻率。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍較廣，通過(guò)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(wú)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(jì)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(jī)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(shí)，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(dòng)速度v：

(13)

由式(13)可知：在機(jī)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(dòng)速度，從而達(dá)到降噪的目的。

2.2電機(jī)噪聲的抑制措施及效果

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

對(duì)于8極48槽3相電機(jī)來(lái)說(shuō),只需計(jì)算第1槽和第2槽2個(gè)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(jì)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(guò)噪聲測(cè)試發(fā)現(xiàn)表面振速幅值降低約37%，通過(guò)測(cè)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(dòng)能量降低了，定子殼體表面振動(dòng)輻射的聲壓級(jí)也大幅下降，最終降低了噪聲輻射水平，達(dá)到了改善聲品質(zhì)的目的。

3結(jié)論

文中通過(guò)試驗(yàn)和仿真相結(jié)合對(duì)開發(fā)過(guò)程中電機(jī)高頻噪聲過(guò)大問(wèn)題進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，通過(guò)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(jī)的NVH性能，其聲品質(zhì)有大幅提高，對(duì)工程實(shí)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(jiǎn)介：鐘文彬(1983—)，男，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)樾履茉雌噭?dòng)力系統(tǒng)集成與控制策略。E-mail：wenbin.zhong@fcagroup.com。

中圖分類號(hào):U467

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)05-050-04