李基芳，何鵬林，孫守富，劉 勇

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300399）

《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃 （2021-2035）》指出，發(fā)展新能源汽車是中國從汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的必由之路，是應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。中國一直堅(jiān)持純電驅(qū)動戰(zhàn)略取向，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了輝煌的成就。電驅(qū)動總成是各類新能源汽車的動力核心，電驅(qū)動總成一般由電機(jī)控制器（以下簡稱“控制器”）、電機(jī)和減速器組成。其中控制器是電驅(qū)動系統(tǒng)的控制中心，將動力電池輸出的直流高壓電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動、控制電機(jī)運(yùn)行。永磁同步電機(jī)以其成本低、可靠性高、功率密度大及效率高等諸多優(yōu)勢［1］，成為新能源汽車市場上的主流產(chǎn)品。發(fā)展至今，振動噪聲性能已經(jīng)成為評價(jià)電驅(qū)動總成優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一［2］。

1 永磁同步電機(jī)諧波電流分析

1.1 諧波電流頻率分布

控制器逆變電路大多采用三相橋式正弦脈寬調(diào)制（SPWM）［3］，逆變過程中，除產(chǎn)生基波電流外，同時(shí)會產(chǎn)生大量的諧波電流?？刂破鳛槎ㄗ永@組星型連接的永磁同步電機(jī)供電時(shí)，交流電流在頻域上分布如下［4］。

1）基波頻率f0，與電機(jī)轉(zhuǎn)速和極對數(shù)均成正比。

2）諧波頻率 （6n±1），n=1，2，3……，如5f0、7f0、11f0、13f0等。

3）與開關(guān)頻率相關(guān)的諧波頻率 （kfh±nf0），fh為開關(guān)頻率、k為不等于3的整數(shù)倍的整數(shù)。

諧波電流對電機(jī)性能產(chǎn)生很多影響，比如發(fā)熱量增多、轉(zhuǎn)矩脈動、電磁振動噪聲變大等［5］。

1.2 諧波電流對振動噪聲的影響

徑向電磁力是電機(jī)電磁振動噪聲的主要激勵(lì)源［6］，其由定子和轉(zhuǎn)子間氣隙磁場相互作用而產(chǎn)生，通過定子齒傳遞到電機(jī)殼體。因此，電機(jī)殼體表面的振動噪聲與電磁力息息相關(guān)。

定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁場包括定子基波磁場、定子諧波磁場、定子諧波電流產(chǎn)生的主/諧波磁場、轉(zhuǎn)子基波磁場及轉(zhuǎn)子諧波磁場等。上述磁場之間相互作用產(chǎn)生一系列隨時(shí)間和空間而變化的徑向電磁力。

與定子第v次諧波電流有關(guān)的主要徑向電磁力頻率為（fv±f0）［7］，其中fv是第v次諧波電流頻率。

如第5次、第11次諧波電流產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)磁勢，所以徑向電磁力頻率為 （fv+f0）；如第7次、第13次諧波電流產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)磁勢，所以徑向電磁力頻率為 （fv-f0）。即：第5次和第7次諧波電流產(chǎn)生的徑向電磁力頻率為6f0，第11次和第13次諧波電流產(chǎn)生的徑向電磁力頻率為12f0。

1.3 諧波電流抑制方法

對于開關(guān)頻率附近的高次諧波，通常采用改變控制器逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化PWM策略、增加輸出濾波器等方式降低。對于低次諧波電流，主要從改進(jìn)電機(jī)的本體結(jié)構(gòu)和控制策略兩方面抑制［8］。

改進(jìn)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)主要包括斜槽斜極、磁路設(shè)計(jì)、繞組分布等。這些方法一般在電機(jī)的設(shè)計(jì)初期結(jié)合電機(jī)性能指標(biāo)、加工工藝、制造成本等因素綜合考慮，對于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工要求很高。

應(yīng)用控制策略改善逆變器死區(qū)時(shí)間和管壓降等因素引起的諧波電流，主要方式包括電壓補(bǔ)償法、坐標(biāo)變換法等。軟件控制方法抑制諧波電流易于實(shí)現(xiàn)、適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛用于電機(jī)振動噪聲優(yōu)化、轉(zhuǎn)矩脈動改善等。

第v次諧波電流在三相靜止坐標(biāo)系下是交流分量，但是在第v次諧波dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下將變成直流分量。通過對應(yīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換，分別將擬抑制的諧波電流變換成直流分量并提取，根據(jù)提取到的直流分量電流計(jì)算諧波電壓補(bǔ)償量，然后將諧波電壓補(bǔ)償量反饋到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對諧波電流的抑制。

2 電驅(qū)動總成電流及振動噪聲測試

被測電驅(qū)動總成由8極48槽永磁同步電機(jī)、減速器和控制器組成。為了測試電機(jī)交流電流，將控制器拆除置于遠(yuǎn)離電機(jī)的位置并包覆吸聲材料，消除控制器對噪聲測試結(jié)果的影響。

試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)的測功機(jī)臺架上進(jìn)行，測試系統(tǒng)主要包括Siemens SCM2E05數(shù)采、YOKOGAWA 701931電流傳感器、PCB 356A16加速度傳感器、GRAS 46AE傳聲器、Simcenter Testlab軟件等。

電流傳感器測試其中一相交流電流，加速度傳感器布置在電機(jī)殼體上，傳聲器分別布置在電驅(qū)總成（電機(jī)+減速器）前方、后方、左方、右方、上方，距離總成表面均為1m。試驗(yàn)照片如圖1所示，圖1中紅色圓圈標(biāo)注的是傳聲器位置。

圖1 電驅(qū)動總成試驗(yàn)照片

試驗(yàn)工況為電機(jī)在峰值轉(zhuǎn)矩輸出狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速由1000r/min經(jīng)15s加速到5000r/min。同步采集加速工況上述電流、振動噪聲數(shù)據(jù)。

2.1 電流測試結(jié)果

圖2是電機(jī)其中一相交流電流的頻譜圖，由于基波頻率電流的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧波電流幅值，且諧波電流之間幅值差異較大。為了便于觀察電流的頻率分布，調(diào)整電流頻譜圖的幅值范圍，圖中顯示的是幅值較大的諧波電流。

圖2 電流頻譜圖

其中①是基波電流，②～⑤分別是第5次、第7次、第11次、第13次諧波電流，8000～12000Hz之間為開關(guān)頻率相關(guān)諧波電流。電流頻率分布與1.1所述結(jié)論吻合。

除上述諧波電流外，由于電機(jī)三相不對稱，測試相電流中還包含第2次、第3次、第4次諧波電流，但是電流幅值較小。

圖3是低次諧波電流幅值對比，其中第5次諧波電流幅值最大，明顯高于其它次諧波電流。另外隨著諧波次數(shù)的提高，電流幅值呈下降趨勢。

圖3 諧波電流大小對比

2.2 振動噪聲測試結(jié)果

分析電驅(qū)動總成振動噪聲測試結(jié)果，其中噪聲結(jié)果為5個(gè)傳聲器測點(diǎn)的能量平均值，關(guān)注頻率范圍0～5000Hz。

圖4 電機(jī)殼體徑向振動

圖5 振動總值與主要階次對比

圖4是電機(jī)殼體徑向振動頻譜圖，振動較大的階次主要為第8階、第24階和第48階。其中，第24階振動在測試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)相對較大，見圖5振動總值與主要階次對比。尤其在1600～2500r/min范圍內(nèi)第24階振動與振動總值大小相近，是電機(jī)殼體徑向振動的主要貢獻(xiàn)量。

圖6是5個(gè)噪聲測點(diǎn)平均值的頻譜圖，由于測試對象為包含電機(jī)和減速器的總成（控制器噪聲已屏蔽），所以頻譜圖中既有第8階、第24階、第48階等電機(jī)階次噪聲，又有減速器相關(guān)的齒輪階次噪聲（圖中黑色虛線所在的階次）。而且除個(gè)別轉(zhuǎn)速外，上述電機(jī)階次噪聲和減速器階次噪聲中沒有任何一階噪聲的能量明顯高于其它階次噪聲。也就是說，某階噪聲只在個(gè)別轉(zhuǎn)速對聲壓級具有主要貢獻(xiàn)，圖7是聲壓級與主要電機(jī)階次噪聲對比。

圖6 電驅(qū)動總成噪聲頻譜圖

圖7 聲壓級與電機(jī)階次噪聲對比

比如，第8階電機(jī)噪聲峰值在3750r/min左右，該轉(zhuǎn)速下與聲壓級相差約3.5dB （A），對聲壓級影響最大；其它轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聲壓級，對聲壓級基本無影響。第24階電機(jī)噪聲在2100r/min、2500r/min與聲壓級相差約3dB （A），對聲壓級影響最大。第48階電機(jī)噪聲在1700r/min左右與聲壓級相差約4dB （A），對聲壓級影響最大。相對而言，第24階電機(jī)噪聲在測試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)幅值較大。

綜上所述，第24階振動噪聲對被測電驅(qū)動總成振動噪聲影響最大。由于被測總成的電機(jī)極對數(shù)是4，所以第5次和第7次諧波電流引起的徑向電磁力是第24階振動噪聲的激勵(lì)之一。

本文應(yīng)用1.3節(jié)中的控制策略原理，抑制第5次和第7次諧波電流，研究其對電驅(qū)動總成振動噪聲的影響。

3 諧波電流對電驅(qū)動總成振動噪聲的影響

通過控制策略抑制電流第5次和第7次諧波，重復(fù)測試本文第2節(jié)中的加速工況，對比抑制諧波電流前后的電流、振動噪聲變化。本節(jié)對比圖中紅色實(shí)線為諧波電流抑制前的測試結(jié)果，綠色虛線為諧波電流抑制后的測試結(jié)果。

圖8是第5次和第7次諧波電流對比，由圖8可見，第5次諧波電流幅值大幅降低、第7次諧波電流除中間轉(zhuǎn)速段外幅值也明顯降低。因此，通過控制策略達(dá)到了抑制第5次和第7次諧波電流的目的。

圖8 諧波電流幅值對比

圖9 電機(jī)殼體徑向振動對比

圖9是電機(jī)殼體徑向振動對比，第24階振動幅值在1500～2900r/min、3400～5000r/min范圍內(nèi)明顯降低，振動平均值由1.87m/s2降至0.51m/s2，振動峰值由5.58m/s2降至1.48m/s2。

振動總值在1600～2500r/min大幅降低而且線性度提高，印證了圖5中該轉(zhuǎn)速范圍振動主要貢獻(xiàn)量是第24階的結(jié)論。轉(zhuǎn)速2100r/min左右的振動峰值由6.55m/s2降至2.76m/s2，另外在3600～5000r/min振動總值略有降低。

圖10是電驅(qū)動總成噪聲對比，由圖可知，第24階噪聲在測試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)明顯降低，平均降低7.4dB （A）。聲壓級在2100r/min 和2500r/min 左右分別降低2.6dB （A）、1.8dB （A）。

圖10 電驅(qū)動總成噪聲對比

4 結(jié)論

本文以某電驅(qū)動總成為研究對象，測試分析諧波電流對其振動噪聲的影響，得出以下結(jié)論。

1）電機(jī)殼體徑向振動以電機(jī)階次振動為主，總成噪聲既包含電機(jī)階次噪聲又包含減速器階次噪聲。其中，第24階振動噪聲對總成的振動和聲壓級影響最大。

2）第5次諧波電流和第7次諧波電流引起的徑向電磁力是第24階振動噪聲的激勵(lì)源之一，通過控制策略降低了第5次和第7次諧波電流。

3）第24階振動平均值由1.87m/s2降至0.51m/s2、振動峰值由5.58m/s2降至1.48m/s2，第24階噪聲平均降低7.4dB （A），改善效果明顯。

4）因第24階振動噪聲明顯改善，電驅(qū)動總成振動總值、平均聲壓級得到不同程度優(yōu)化。