某款電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)噪聲分析

　　姚學(xué)松，陶文勇（奇瑞新能源汽車(chē)股份有限公司，安徽?蕪湖?241002）

　　摘?要：通過(guò)對(duì)某款電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)的噪聲進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其存在48階次噪聲大的問(wèn)題。為了削弱電機(jī)的48階次噪聲，本文提出了4種優(yōu)化方案，通過(guò)對(duì)4種優(yōu)化方案分別進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化和轉(zhuǎn)子鐵心外圓增加輔助溝槽2個(gè)方案對(duì)電機(jī)48階次噪聲有較大的改善。最終實(shí)施上述2個(gè)方案，原車(chē)尖銳、刺耳的電磁聲及嘯叫聲明顯削弱，提升了整車(chē)的駕駛舒適性。

　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；永磁同步電機(jī)；噪聲；磁鋼；轉(zhuǎn)子鐵心

　　0 引言

　　永磁同步電機(jī)所具有的高效率、高功率密度等特性使其廣泛應(yīng)用于純電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)而言，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為整車(chē)的動(dòng)力總成部分，其所產(chǎn)生的噪聲也是整車(chē)的主要噪聲來(lái)源。噪聲作為電機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)之一 ^[1] ，其水平也決定了整車(chē)的駕駛舒適性。因此，電機(jī)噪聲的控制也成為了當(dāng)前電機(jī)性能優(yōu)化的重要課題。

　　本文基于某款純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)的噪聲分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行在（1 500 ~6 000）r/min時(shí)，其48階次噪聲明顯。因電機(jī)的總體磁路結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)的成本高、周期長(zhǎng)，本文在不改變電機(jī)主要磁路結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化、轉(zhuǎn)子鐵心增加溝槽、電機(jī)定子繞組樹(shù)脂澆注、電機(jī)殼體強(qiáng)度提升等措施的對(duì)比分析，來(lái)評(píng)估各措施對(duì)電機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)，通過(guò)測(cè)試結(jié)果表明，上述方案對(duì)電機(jī)噪聲有一定的改善，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)噪聲的優(yōu)化提供了相關(guān)的依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

　　1 純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲分析

　　如圖1所示，根據(jù)整車(chē)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)所采用的48槽設(shè)計(jì)方案，可判斷其中48階次噪聲主要來(lái)源于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速在（1 500~6 000）r·min ^-1 ，對(duì)應(yīng)整車(chē)的車(chē)速在（25~75）km/h。此時(shí)整車(chē)主要表現(xiàn)為嘯叫聲明顯，電機(jī)電磁噪聲尖銳、刺耳 ^[2] ，而在汽車(chē)的日常行駛中又主要集中在此車(chē)速段，因此優(yōu)化此轉(zhuǎn)速段的電機(jī)噪聲對(duì)整車(chē)的駕駛感受具有較大的提升。

　　2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲優(yōu)化分析

　　考慮到該款驅(qū)動(dòng)電機(jī)已進(jìn)入到批量生產(chǎn)階段，對(duì)電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)、電磁方案等進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，本文僅通過(guò)對(duì)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子、殼體等局部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)來(lái)改善電機(jī)噪聲。

　　2.1 轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　電機(jī)的電磁噪聲主要是由電機(jī)內(nèi)部各種頻率的諧波引起，而通過(guò)轉(zhuǎn)子斜槽或定子斜極來(lái)削弱齒諧波是電機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程中降低電磁噪聲的一種常用方法 ^[3] 。

　　如圖2所示，左側(cè)為原驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，磁鋼采用兩段式斜槽結(jié)構(gòu)布置，右側(cè)為優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，磁鋼采用四段式交叉布置。優(yōu)化前后的噪聲測(cè)試結(jié)果如圖3所示，電機(jī)運(yùn)行工況：轉(zhuǎn)速（1 500~6 000）r/min ¹ ，額定轉(zhuǎn)速前峰值扭矩250 N·m，額定轉(zhuǎn)速后峰值功率95 kW。優(yōu)化后的方案其48階次噪聲在（2 200 ~5300）r/min ¹ 轉(zhuǎn)速段及6 000 r/min ¹ 附近改善效果較明顯，噪聲降低約（5~15）dB，全轉(zhuǎn)速段的噪聲總值優(yōu)化后方案也低于優(yōu)化前。

　　2.3 轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)同樣會(huì)引起電機(jī)的噪聲和振動(dòng)，因此削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也是優(yōu)化電機(jī)噪聲的方案之一。齒槽轉(zhuǎn)矩是電機(jī)帶載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要來(lái)源之一，但除齒槽轉(zhuǎn)矩外，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心外圓增加輔助溝槽同樣能削弱電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) ^[4] 。

　　如圖4所示，在轉(zhuǎn)子鐵心外圓相鄰的兩組磁鋼之間增加一組弧形的輔助槽。優(yōu)化前后的噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5所示，電機(jī)運(yùn)行工況同2.1。轉(zhuǎn)子外圓增加輔助溝槽后，48階次噪聲在全轉(zhuǎn)速段降低約（5~15）dB，噪聲總值也改善明顯。

　　2.3 定子繞組樹(shù)脂澆注

　　電機(jī)的噪聲除電磁噪聲外還包含機(jī)械振動(dòng)所引起的噪聲。電機(jī)的定子鐵心一般由硅鋼片疊壓而 成，疊片之間存在間隙；定子繞組主要由多根松散的漆包線組成，并嵌入到定子槽內(nèi)，漆包線之間也存在間隙，同時(shí)因電機(jī)槽滿率及生產(chǎn)工藝的限制，繞組與定子槽之間也存在較大的間隙。這就導(dǎo)致定子的結(jié)構(gòu)松散，易產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。

　　本文通過(guò)對(duì)電機(jī)定子繞組進(jìn)行整體環(huán)氧樹(shù)脂澆注，提高電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提升定子的固有頻率，降低電機(jī)因定子機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲。如圖6所示，為環(huán)氧樹(shù)脂澆注后的電機(jī)定子，整個(gè)繞組的端部及定子槽內(nèi)均被環(huán)氧樹(shù)脂填充。澆注前后的噪聲測(cè)試結(jié)果如圖7所示，電機(jī)運(yùn)行工況同2.1。定子繞組澆注后其48階次噪聲在（1 500~2200）r/min及2 700~6000）r/min轉(zhuǎn)速段噪聲降低約5 dB，全轉(zhuǎn)速段的噪聲總值也略有降低。

　　2.4 電機(jī)殼體增加加強(qiáng)筋

　　電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)噪聲除了定子的振動(dòng)引起外，還包含電機(jī)的外殼體振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲。該款電機(jī)作為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其輸出端需要匹配減速器設(shè)計(jì)法蘭安裝面，為了提升法蘭側(cè)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低振動(dòng)噪聲，本文對(duì)法蘭處增加加強(qiáng)筋，如圖8所示。

　　電機(jī)外殼體增加加強(qiáng)筋后，噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9，電機(jī)運(yùn)行工況同2.1。改后的電機(jī)在3 000 r/min ¹ 附近及4 600 r/min ¹ 之后噪聲有約（5~10）dB的降低，其它轉(zhuǎn)速段噪聲略有增加，噪聲總值基本無(wú)變化。

　　3 結(jié)果分析

　　通過(guò)對(duì)上述四種方案對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化、轉(zhuǎn)子鐵心外圓增加輔助溝槽對(duì)該款電機(jī)48階次噪聲及噪聲總值改善均較明顯；定子繞組環(huán)氧樹(shù)脂澆注對(duì)電機(jī)噪聲雖然有一定的改善，但改善效果不明顯；電機(jī)殼體增加加強(qiáng)筋方案對(duì)電機(jī)噪聲無(wú)明顯改善。

　　綜上，考慮到定子繞組環(huán)氧樹(shù)脂澆注需要投入專(zhuān)用設(shè)備，工藝復(fù)雜、費(fèi)用高且效果不明顯，最終實(shí)施前兩種方案。將改進(jìn)后的電機(jī)搭載到整車(chē)上，測(cè)得的車(chē)內(nèi)噪聲階次彩圖如圖10所示，48階次噪聲明顯被削弱，車(chē)內(nèi)噪聲整體降低約5 dB，整車(chē)車(chē)速在（25~75）km/h時(shí)的嘯叫聲也改善明顯，提升了整車(chē)的駕駛舒適性。

　　4 結(jié)論

　　本文通過(guò)對(duì)某款純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)的噪聲進(jìn)行分析，提出了四種降低電機(jī)48階次噪聲的優(yōu)化方案，并分別進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證和測(cè)試。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化和轉(zhuǎn)子鐵心外圓增加輔助溝槽對(duì)電機(jī)48階次噪聲有較大改善。最終改善后的電機(jī)搭載到整車(chē)上，原車(chē)尖銳、刺耳的電磁聲及嘯叫聲明顯削弱，提升了整車(chē)的駕駛舒適性。

　　參考文獻(xiàn)

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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第12期第74頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。