韋 舒，覃一倫

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

驅(qū)動電機旋變蓋板安裝于電機后端蓋旋變位置，為旋變提供密封環(huán)境。旋變蓋安裝于電機后端蓋上，若選用低成本沖壓成型的薄壁件，則對噪聲輻射控制是極為不利的。本文選用某永磁同步電機作為研究對象，其激勵源主要有電磁力和不平衡力。對旋變蓋進行模態(tài)分析了解其固有特征，規(guī)避在主要激勵頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)響應輻射噪聲。

1 激勵源分析

電機激勵力主要有電磁力和旋轉(zhuǎn)機械激勵力[1]。電磁力主要由定、轉(zhuǎn)子諧波磁場相互作用而產(chǎn)生隨時間和空間變化的電磁力。旋轉(zhuǎn)機械激勵力主要由旋轉(zhuǎn)部件摩擦（如軸承）、幾何形狀不規(guī)則（如轉(zhuǎn)子不平衡）等產(chǎn)生。電磁力主要由徑向電磁力對殼體激勵而向外輻射振動產(chǎn)生，其主要特征與極對數(shù)、極槽數(shù)線性相關(guān)。本文研究電機為峰值轉(zhuǎn)速12000 r/min，8 極、48槽永磁同步電機，所以其激勵力頻率范圍為：

其中，f為頻率，N為電機轉(zhuǎn)速，p為極對數(shù)。

旋轉(zhuǎn)機械激勵力主要由不平衡力及轉(zhuǎn)子、定子不對中產(chǎn)生的1 階、2 階及其諧次激勵。

2 模態(tài)分析理論

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一種固有屬性，表征模態(tài)的特征參數(shù)是振動系統(tǒng)各階固有頻率、陣型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼等[2]。模態(tài)分析就是用模態(tài)參數(shù)來表示結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運動方程，確定模態(tài)參數(shù)的過程。一般結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在進行動態(tài)分析時，通常可運動微分方程描述：

式中：[M] 為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；[C] 為系統(tǒng)的阻尼矩陣；[K]為系統(tǒng)的剛度矩陣；{x¨}、{x˙}、{x}為系統(tǒng)的加速度向量、速度向量、位移向量；{f（t）}為系統(tǒng)的外激勵力向量。

模態(tài)分析方法就是以無阻尼的各階主陣型所對應的模態(tài)坐標來代替物理坐標，使微分方程解耦，變成各個獨立微分方程。通過Laplace 變換及引入模態(tài)坐標，相互耦合的N個自由度系統(tǒng)的方程組解耦后的第i個方程為：

在任意坐標l 下，其響應為：

從式（3）可知，采用模態(tài)坐標后，N自由度振動系統(tǒng)的振動響應，相當于N個模態(tài)坐標下單自由度系統(tǒng)的響應之和。在模態(tài)坐標下的質(zhì)量Mi，剛度Ki，阻尼Ci及固有陣型φji，均稱為模態(tài)參數(shù)，并分別稱為模態(tài)質(zhì)量，模態(tài)剛度，模態(tài)阻尼及模態(tài)陣型。

3 旋變蓋有限元模態(tài)分析

3.1 模型

旋變蓋作為密封旋變的零件，其設(shè)計需要有一定的剛度及強度，避免受電磁力、機械激勵力等激勵共振。圖1 為旋變蓋幾何模型，圖2 為旋變蓋有限元模型。本模型寬厚比大于20，因而使用殼單元網(wǎng)格來提高計算精度。

圖1 旋變蓋幾何模型

圖2 有限元模型

3.2 邊界條件

驅(qū)動電機通過螺栓剛性連接至變速器，旋變蓋安裝在電機殼體的后端，后端蓋的剛度相對于旋變蓋可視為剛體，因此,電機殼體后端蓋對6 個安裝孔自由度全約束。計算旋變蓋約束模態(tài)結(jié)果是：楊氏模量為205000 MPa，泊松比為0.29，密度為7.85E-009 t/mm3。約束邊界如圖3 所示。通過使用ABAQUS 的Lanczos 求解方法，求得40 個模態(tài)本征值完成約束模態(tài)求解。

圖3 約束邊界

3.3 計算結(jié)果

3.3.1 模態(tài)頻率

求解模態(tài)頻率結(jié)果見表1 模態(tài)頻率，一階模態(tài)為2563.8 Hz，可避開1 階、2 階機械激勵，8 階電磁力，但未能避開24 階、48 階激勵力，因激勵力頻率范圍很廣，不可能完全規(guī)避，同時對于高頻結(jié)構(gòu)響應性較差，一般不會造成噪聲輻射較強問題。

表1 模態(tài)頻率

3.3.2 模態(tài)陣型

模態(tài)陣型表征了受激勵振動時系統(tǒng)的振動響應，下面展示前6 階模態(tài)陣型，如圖4～圖9。

圖4 1 階陣型

圖5 2 階陣型

圖6 3 階陣型

圖7 4 階陣型

圖8 5 階陣型

圖9 6 階陣型

從前6 階陣型結(jié)果來看，1 階表現(xiàn)為伸縮呼吸模態(tài)，2階、3 階為對中心點對稱扭轉(zhuǎn)模態(tài)。電機主要激勵力方向為徑向，與1 階模態(tài)表現(xiàn)的軸向及2 階、3 階扭轉(zhuǎn)向量一致的概率較低，因此即使有頻率耦合也較難形成共振。

4 結(jié)論

通過分析某新能源汽車永磁同步電機旋變蓋板模態(tài)特征，了解了旋變蓋模態(tài)頻率及模態(tài)陣型，為電機NVH 設(shè)計提供了依據(jù)。模態(tài)頻率已不在主要激勵頻率范圍，模態(tài)向量與主要激勵方向不同，可滿足設(shè)計要求。