林巨廣, 謝濤輝

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著汽車制造技術(shù)的不斷發(fā)展,汽車舒適性已經(jīng)成為消費(fèi)者的主要需求。動力總成是純電動汽車的動力來源,其振動與噪聲性能是影響汽車舒適性的關(guān)鍵因素。純電動汽車動力總成由電機(jī)及減速器組成。永磁同步電機(jī)因體積小、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于電動汽車[1]。永磁同步電機(jī)電磁噪聲和減速器嘯叫噪聲是純電動汽車NVH(noise vibration and harshness)開發(fā)中的常見問題,優(yōu)化上述2種噪聲是提高純電動汽車動力總成NVH性能的重要手段。

目前,國內(nèi)外對減速器齒輪嘯叫噪聲和永磁同步電機(jī)電磁噪聲都有較多的研究。減速器嘯叫是由內(nèi)部齒輪在嚙合傳動中所受的不平穩(wěn)的激振力和嚙合過程的傳動誤差引起的一種中高頻噪聲[2],其優(yōu)化多是通過對齒輪進(jìn)行微觀修形,改善齒輪嚙合狀況。文獻(xiàn)[2-5]通過建立齒輪修形參數(shù)優(yōu)化模型對修形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,研究結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的修形參數(shù)進(jìn)行修形,能有效抑制嘯叫噪聲。

永磁同步電機(jī)電磁噪聲的根源是電機(jī)內(nèi)部氣隙中各諧波磁場產(chǎn)生的交變電磁力。電磁力有切向分量和徑向分量。徑向電磁力在引起電磁振動及噪聲方面起主要作用,它使定子鐵芯產(chǎn)生徑向振動,徑向振動產(chǎn)生的噪聲是電機(jī)電磁噪聲的主要成分。文獻(xiàn)[6]分析了轉(zhuǎn)子3種不同斜極結(jié)構(gòu)相應(yīng)軸向電磁力的特點(diǎn),得出一定的斜極結(jié)構(gòu)可以有效減小特定頻率階次的振動;文獻(xiàn)[7]通過建立2D電磁有限元模型分析了不同轉(zhuǎn)子偏心類型的電磁力,指出轉(zhuǎn)子偏心會產(chǎn)生低空間階次電磁力諧波,并建立了結(jié)構(gòu)-聲學(xué)多物理場模型;文獻(xiàn)[8]分析了不同齒槽配合的電機(jī)電磁力分布,并將電磁力耦合到電機(jī)瞬態(tài)結(jié)構(gòu)有限元模型,可有效預(yù)測不同齒槽配合的電機(jī)電磁振動。

永磁同步電機(jī)電磁噪聲的優(yōu)化主要有2種途徑:① 改變電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu);② 減少電樞電流的諧波含量。

文獻(xiàn)[9]利用有限元軟件研究了永磁同步電機(jī)的電磁振動特性,通過在電機(jī)薄弱部位加筋和阻尼層顯著降低了電機(jī)噪聲;文獻(xiàn)[10]采用場路耦合聯(lián)合仿真的方法,研究了徑向電磁力波產(chǎn)生機(jī)理,通過電流諧波注入的補(bǔ)償控制策略降低了電機(jī)的振動噪聲。

本文以一臺某型號純電動汽車動力總成為研究對象,首先分析了動力總成減速器的階次噪聲;然后解析分析了動力總成驅(qū)動電機(jī)的徑向電磁力特性，并利用Maxwell軟件進(jìn)行仿真,識別出電機(jī)可能產(chǎn)生的噪聲階次;最后提出了采用聲學(xué)包包裹降低動力總成噪聲的優(yōu)化措施,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 動力總成噪聲來源分析

本文研究的動力總成如圖1所示。

圖1 動力總成

1.1 減速器噪聲

電動汽車減速器噪聲最常見的是齒輪嘯叫噪聲。齒輪嘯叫噪聲是與轉(zhuǎn)速相關(guān)的信號,常采用等角度采樣的階次分析方法進(jìn)行分析。嘯叫噪聲階次與齒輪齒數(shù)和各級齒輪傳動比有關(guān),階次計(jì)算公式為:

(1)

其中,O為階次;f為齒輪嚙合頻率;n為電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速。

本文研究的動力總成減速器為二級齒輪減速,第1級齒輪齒數(shù)比為21/53,第2級齒輪齒數(shù)比為24/79。因此,齒輪嘯叫噪聲的階次為21、9.5階以及兩者的整數(shù)倍。

1.2 永磁同步電機(jī)噪聲

1.2.1 電機(jī)電磁力解析分析

電磁噪聲是永磁同步電機(jī)噪聲的主要來源,主要由定子、轉(zhuǎn)子間氣隙磁場產(chǎn)生的交變電磁力作用于定子表面引起。因此,分析電磁噪聲首先需要計(jì)算電磁力。

永磁同步電機(jī)中,電磁力的切向分量相對徑向分量而言小很多,為簡化計(jì)算,通常忽略切向分量對電機(jī)噪聲的影響,只考慮徑向電磁力的作用。根據(jù)麥克斯韋應(yīng)力張量法,定子表面單位面積上的徑向電磁力pn(θ,t)的瞬時(shí)值為:

(2)

其中,μ0=4π×10-7H/m;bn(θ,t)為氣隙磁密;t為時(shí)間;θ為空間角度。

當(dāng)忽略磁飽和時(shí),氣隙磁密bn(θ,t)的表達(dá)式[11]為:

bn(θ,t)=f(θ,t)λ(θ,t)

(3)

其中,f(θ,t)為氣隙磁勢;λ(θ,t)為氣隙磁導(dǎo)。

本文研究的動力總成驅(qū)動電機(jī)是內(nèi)置式永磁同步電機(jī)。電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),氣隙磁勢f(θ,t)由定子繞組諧波磁勢、轉(zhuǎn)子永磁體諧波磁勢及其基波合成磁勢組成。電機(jī)轉(zhuǎn)子光滑、定子開槽,氣隙磁導(dǎo)λ(θ,t)可以表示為:

(4)

其中,Λ0為單位面積氣隙磁導(dǎo)的不變部分;Λk為氣隙磁導(dǎo)k次諧波幅值;Z為定子槽數(shù);δ為氣隙長度;Kc為卡特系數(shù)?？臻gr階徑向電磁力波的m次時(shí)間諧波的大小[12]為:

pr,m=pmcos(mω1t-rθ-αm)

(5)

其中,pm為徑向電磁力波的幅值,m=1,…,n。

合成的空間r階徑向電磁力波的大小為:

pr=pr,1+pr,2+…+pr,m+…+pr,n=

(6)

其中,am(t)、bm(t)為與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)的系數(shù)。

由(6)式可知,除了空間0階徑向電磁力波之外,其余r階空間徑向電磁力波由一個(gè)空間正弦波形sin(rθ)和一個(gè)空間余弦波形cos(rθ)疊加而成。

合成所有空間階次的徑向電磁力波得到徑向電磁力波pn(θ,t)的表達(dá)式為:

(7)

其中,R為力波的空間階次數(shù)。

對于整數(shù)槽永磁同步電機(jī),電磁噪聲的主要來源是定轉(zhuǎn)子高次諧波磁場的相互作用[11]。定子繞組磁場諧波次數(shù)為:

v=(6k1+1)p,k1=±1,±2,±3,…

(8)

其中,p為電機(jī)的極對數(shù)。

轉(zhuǎn)子諧波磁場的諧波次數(shù)為:

μ=(2k2+1)p,k2=1,2,3,…

(9)

因此定轉(zhuǎn)子諧波磁場相互作用產(chǎn)生的徑向電磁力波次數(shù)為:

(10)

由(10)式可知,整數(shù)槽永磁同步電機(jī)徑向電磁力波的空間階次可能為0或等于電機(jī)極數(shù)的整數(shù)倍。本文研究的動力總成驅(qū)動電機(jī)是8極48槽的永磁同步電機(jī),因此其徑向電磁力波的空間階次可能為0、8、16階等。

1.2.2 徑向電磁力仿真分析

徑向電磁力在空間上呈周期性分布,同時(shí)空間上各點(diǎn)處的徑向電磁力在時(shí)間上呈周期性變化。以往許多學(xué)者只是對徑向電磁力在時(shí)間或空間進(jìn)行一維的諧波分析[13-14],即只對空間中某一點(diǎn)隨時(shí)間變化的徑向電磁力進(jìn)行諧波分析或只對某一時(shí)刻隨空間角度變化的徑向電磁力進(jìn)行諧波分析,這不能很好地分析電機(jī)徑向電磁力的時(shí)空分布規(guī)律。本文通過建立電機(jī)的二維電磁有限元模型,利用時(shí)步有限元法,仿真電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速11 000 r/min、峰值功率110 kW的工況下徑向電磁力在時(shí)空上的分布。電機(jī)的仿真參數(shù)見表1所列,其繞組形式為雙層繞組。電機(jī)的二維電磁有限元模型如圖2所示。

表1 電機(jī)仿真參數(shù)

圖2 驅(qū)動電機(jī)電磁有限元模型

電機(jī)徑向電磁力的時(shí)空分布如圖3所示。

由文獻(xiàn)[15]可知,只有當(dāng)徑向電磁力的空間階次等于電機(jī)徑向模態(tài)階次且這一階徑向電磁力所包含的頻率靠近對應(yīng)階次的電機(jī)模態(tài)頻率時(shí),電機(jī)才發(fā)生共振。因此,利用二維傅里葉變換對在時(shí)空上周期變化的徑向電磁力進(jìn)行時(shí)空分解,得到徑向電磁力的空間階次及各階次包含的頻率,如圖4a所示;對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械常采用階次分析方法分析噪聲,選擇電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)頻作為參考頻率,將徑向電磁力時(shí)空分解得到的各階次頻率變換為對應(yīng)的頻率階次,如圖4b所示。

圖3 徑向電磁力時(shí)空分布

圖4 徑向電磁力二維時(shí)空分解

電機(jī)徑向電磁力的仿真分析結(jié)果表明，徑向電磁力的空間階次為0、8階,與解析分析結(jié)果一致;徑向電磁力的頻率階次為0、8、16階等,是電機(jī)極數(shù)的整數(shù)倍。

徑向電磁力的空間階次越低,引起的電機(jī)變形相鄰兩節(jié)點(diǎn)的距離越遠(yuǎn),電機(jī)徑向變形越大。文獻(xiàn)[16]研究表明，徑向電磁力作用在定子表面產(chǎn)生的振動位移與空間階次的4次方成反比,因此通常只考慮空間階次為0～4的徑向電磁力對電機(jī)振動噪聲的貢獻(xiàn)。由圖4可知,本文研究的動力總成其驅(qū)動電機(jī)徑向電磁力的空間階次在0～4階之間只存在0階。因此,空間階次為0階的徑向電磁力是驅(qū)動電機(jī)噪聲的主要來源,其包含的頻率階次有0、24、48階,其中徑向力波的頻率階次為0階表示力波不隨時(shí)間變化,對噪聲的貢獻(xiàn)量為0,而48階電磁力幅值大約是24階電磁力幅值的2倍,則空間0階、頻率48階的徑向電磁力對電機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)量最大。

2 動力總成噪聲測試分析

將動力總成搭載在整車上,采用米勒貝姆公司的數(shù)據(jù)采集設(shè)備對動力總成在整車全油門勻加速至80 km/h工況下進(jìn)行近場噪聲測試。采用2個(gè)麥克風(fēng)分別采集驅(qū)動電機(jī)近場和減速器輸出級近場的噪聲數(shù)據(jù)。麥克風(fēng)與電機(jī)軸處于同一水平面,且麥克風(fēng)頭部分別正對減速器殼體和電機(jī)殼體,距離均為20 cm,如圖5所示。

圖5 動力總成測試布置

整車從靜止?fàn)顟B(tài)全油門勻加速至80 km/h過程中，驅(qū)動電機(jī)近場、減速器輸出級近場的A計(jì)權(quán)聲壓級時(shí)頻圖如圖6所示。

圖6的測試結(jié)果表明，電機(jī)近場和減速器輸出級近場的主要階次噪聲都是9.5、19、21、42、48階。其中,9.5、21、19、42階是減速器齒輪嚙合產(chǎn)生的嘯叫噪聲及其倍頻噪聲;48階是電機(jī)徑向電磁力引起的電磁噪聲。

電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 660 r/min時(shí)在頻率2 145 Hz處電機(jī)近場噪聲發(fā)生突變,這是由于此時(shí)空間0階、頻率階次為48階的徑向電磁力所對應(yīng)的頻率與動力總成模態(tài)試驗(yàn)得到的驅(qū)動電機(jī)呼吸模態(tài)頻率2 173 Hz接近,從而引起電機(jī)共振。減速器在電機(jī)轉(zhuǎn)速4 000～5 550 r/min區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)明顯的嘯叫噪聲。

圖6 A計(jì)權(quán)聲壓級時(shí)頻圖

電機(jī)近場噪聲、減速器輸出級近場噪聲的各階次噪聲貢獻(xiàn)量的分析結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出,在電機(jī)轉(zhuǎn)速2 660 r/min時(shí)電機(jī)近場噪聲達(dá)到峰值,總聲壓級為102.7 dB,其中48階電磁噪聲貢獻(xiàn)量最大,24階電磁噪聲貢獻(xiàn)量相對較小；減速器輸出級近場噪聲在電機(jī)轉(zhuǎn)速為5 335 r/min時(shí)達(dá)到峰值,總聲壓級為98.0 dB,由齒輪嚙合產(chǎn)生的各階次噪聲貢獻(xiàn)量大致相同。

因此,優(yōu)化此動力總成的噪聲主要就是改善驅(qū)動電機(jī)的48階電磁噪聲和減速器齒輪嚙合噪聲。

圖7 階次噪聲貢獻(xiàn)量分析結(jié)果

3 噪聲優(yōu)化措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

噪聲優(yōu)化一般從噪聲源控制和噪聲傳播路徑控制2個(gè)方面著手。

本文從控制噪聲傳播路徑出發(fā),采用吸聲材料對動力總成進(jìn)行聲學(xué)包裹,利用吸聲材料的吸聲特性,減小動力總成的輻射噪聲。聲學(xué)包裹后的動力總成及測試布置如圖8所示,測試布置與未包裹前的一致。

圖8 包裹后動力總成測試布置

動力總成進(jìn)行聲學(xué)包裹后整車從靜止?fàn)顟B(tài)全油門勻加速至80 km/h過程中,驅(qū)動電機(jī)近場、減速器輸出級近場的A計(jì)權(quán)聲壓級時(shí)頻圖如圖9所示。

包裹前、后電機(jī)近場噪聲的總聲壓級、48階電磁噪聲對比以及包裹前、后減速器輸出級近場噪聲的總聲壓級對比如圖10所示。

由圖9可知,對動力總成進(jìn)行聲學(xué)包裹后,電機(jī)近場噪聲在轉(zhuǎn)速2 660 r/min、頻率2 145 Hz處的突變點(diǎn)消失;減速器輸出級近場的各階次噪聲明顯降低。

由圖10可知,包裹后電機(jī)近場噪聲突變點(diǎn)的峰值有所改善,在轉(zhuǎn)速3 620 r/min處總聲壓級達(dá)到峰值96.6 dB,與包裹前噪聲相比降低6.1 dB,所含的48階電磁噪聲在轉(zhuǎn)速2 660 r/min處的突變明顯改善;減速器輸出級近場噪聲在轉(zhuǎn)速5 145 r/min處達(dá)到峰值,總聲壓級為93.1 dB,與包裹前相比降低了4.9 dB。

上述結(jié)果表明，聲學(xué)包裹對動力總成的噪聲具有較明顯的優(yōu)化效果。

圖9 包裹后A計(jì)權(quán)聲壓級時(shí)頻圖

圖10 包裹前、后噪聲對比

4 結(jié) 論

本文以一臺額定功率為40 kW、峰值功率為110 kW的電動汽車動力總成為研究對象,對減速器噪聲來源進(jìn)行階次分析；利用有限元軟件分析驅(qū)動電機(jī)的徑向電磁力，并利用二維傅里葉變換進(jìn)行二維時(shí)空分解,得到驅(qū)動電機(jī)電磁噪聲的主要空間階次和頻率階次；對動力總成噪聲進(jìn)行測試,提出采用聲學(xué)包裹的方法優(yōu)化其噪聲并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文的研究得出如下結(jié)論:

(1) 減速器齒輪嘯叫噪聲和驅(qū)動電機(jī)電磁噪聲是動力總成噪聲的主要來源。當(dāng)驅(qū)動電機(jī)的空間0階徑向電磁力所包含的頻率與驅(qū)動電機(jī)的呼吸模態(tài)頻率接近時(shí),會引起電機(jī)的共振,惡化動力總成的噪聲水平。

(2) 對動力總成進(jìn)行聲學(xué)包裹,電機(jī)和減速器輸出級的近場噪聲分別降低了6.1、4.9 dB,具有較明顯的優(yōu)化效果。該方法對動力總成噪聲的優(yōu)化具有一定的借鑒意義。