新能源汽车中永磁同步电机的结构模态特性与NVH控制技术研究

在全球环保和能源危机的背景下，新能源汽车得到了广泛的关注和快速的发展。永磁同步电机（PMSM）作为新能源汽车的核心驱动部件，以其高效率和卓越的动态性能，成为电动车（EV）的主流选择。然而，PMSM在运行过程中产生的振动和噪声（NVH）问题，严重影响了整车的舒适性和用户体验。特别是电机的结构模态特性与振动响应密切相关，激励频率接近固有频率时可能导致共振。本文将结合新能源汽车的NVH测试，探讨PMSM的结构模态特性与振动控制技术。

永磁同步电机的振动噪声来源

1. 电磁激励振动

电磁激励振动是PMSM振动和噪声的主要来源。电机在运行过程中，由于定子和转子之间的电磁相互作用，会产生周期性的电磁力，这种电磁力作用于电机的定子和转子，引起机械结构的振动，进而产生噪声。

产生机制

电磁力波动：定子绕组中的电流产生的磁场与转子永磁体的磁场相互作用，形成电磁力。这种电磁力在空间上呈现周期性分布，形成电磁力波。电磁力波的频率与电机的运行频率相关，如果电磁力波的频率与电机部件的固有频率一致，就会引起共振，产生较大的电磁振动。

气隙磁场不均匀：电机气隙中的磁场分布不均匀，会导致电磁力的周期性变化，从而引起振动。

控制措施

优化电磁设计：通过有限元仿真（FEA）优化电机的电磁设计，确保气隙磁场的均匀分布，减少电磁力波动。

降低齿槽转矩：采用分数槽绕组设计和优化槽形，减少齿槽效应，降低齿槽转矩，从而减少电磁振动。

电磁屏蔽技术：在定子和转子之间增加电磁屏蔽层，减少电磁场干扰，降低电磁振动。

2. 机械振动

机械振动是由于电机内部的机械部件在运行过程中受到周期性力的作用而产生的。机械振动的主要来源包括转子不平衡、轴承振动以及电机装配误差等。

产生机制

转子不平衡：转子的质量分布不均匀会导致电机在高速旋转时产生离心力，从而引起机械振动。

轴承振动：轴承在工作过程中，由于滚动体和保持架的相互作用，会产生固有的振动频率。

装配误差：电机装配过程中产生的同轴度误差、端盖和定子错位等，都会导致机械振动的增加。

控制措施

转子动平衡校正：通过精密动平衡设备对转子进行动平衡校正，确保转子的质量分布均匀，减少旋转时的离心力。

高质量轴承选用：选用低噪声、高精度的轴承，并定期维护和润滑，确保轴承的稳定运行。

严格的装配工艺：在电机装配过程中，采用精密的工装夹具，严格控制各部件的同轴度和配合公差，减少装配误差带来的机械振动。

3. 空气动力噪声

空气动力噪声主要是由于电机转子在高速旋转过程中，与周围空气介质相互作用产生的气流噪声。这种噪声通常表现为高频噪声，其特征频率与电机转子的转速成正比。

产生机制

空气动力噪声的产生主要与电机的冷却系统、转子形状及其旋转速度有关。冷却风扇在高速旋转时，会产生较大的空气扰动，导致空气动力噪声的产生。此外，电机转子表面的凹凸不平和旋转时的气流切割也会增加空气动力噪声。

控制措施

优化设计冷却风扇：通过采用低噪声风扇叶片设计，如斜角叶片和不等距叶片，可以有效减少冷却风扇的气流噪声。

转子表面平滑处理：对转子表面进行精细加工，减少表面的粗糙度，从而减小空气阻力和气流噪声。

空气动力学优化：通过计算流体动力学（CFD）模拟，优化电机内部和外部的空气流动路径，减少涡流和气流分离现象。

结构模态特性与振动响应

1. 模态分析

模态分析是一种重要的结构动力学分析方法，用于确定结构的固有频率和振型。PMSM的模态分析可以帮助识别电机在不同工况下的共振频率，避免激励频率与固有频率重合引起的共振现象。

影响模态频率的因素

材料特性：电机各部件材料的密度、弹性模量和阻尼特性对模态频率有显著影响。高密度和高弹性模量的材料通常会导致较高的固有频率。

结构参数：电机的几何尺寸、结构形状和连接方式也会影响其模态频率。例如，转子的长度、直径和槽形设计等参数都会对固有频率产生影响。

2. 模态实验

通过模态实验，可以实际测量电机的固有频率和振型，为仿真分析提供验证数据。模态实验通常使用激振器和加速度传感器，通过施加外部激励，测量结构的振动响应，确定其模态参数。

实验步骤

激振器安装：在电机的关键部位安装激振器，通过激振器施加已知频率和幅值的振动。

传感器布置：在电机的各关键部位布置加速度传感器，测量各点的振动响应。

数据采集与分析：通过数据采集系统记录各点的振动信号，使用模态分析软件进行数据处理，提取模态参数。

新能源汽车NVH测试技术

在新能源汽车的开发过程中，NVH（Noise, Vibration, Harshness）测试是一项重要的评估指标。通过NVH测试，可以有效识别和分析电机及其驱动系统的振动和噪声源，从而采取针对性的控制措施。

1. NVH测试设备

振动测试仪：用于测量电机及其组件的振动频率和幅值，分析振动源。

噪声测试仪：用于测量电机运行过程中产生的空气动力噪声和机械噪声。

电磁场分析仪：用于测量电机内部的电磁场分布，分析电磁振动的产生原因。

2. 测试方法

模态分析：通过激励电机结构，测量其振动响应，分析电机的固有频率和振型。

频谱分析：对电机运行过程中产生的振动和噪声进行频谱分析，识别主要的振动和噪声源。

道路模拟测试：将电机安装在整车上，通过模拟实际道路行驶工况，测量整车的振动和噪声水平。

永磁同步电机作为新能源汽车的核心驱动部件，其振动和噪声问题对整车的NVH性能有着重要影响。通过模态分析和实验，研究电机的结构模态特性，可以有效识别和避免共振现象。结合先进的NVH测试技术，可以对电机的振动和噪声源进行精确识别和分析，进一步提升电动汽车的舒适性和用户体验。在未来的电动汽车开发中，PMSM的结构模态特性与振动控制技术将继续发挥重要作用，为新能源汽车的普及和推广提供有力支持。