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电动车永磁同步电机电磁噪声测试分析
2020-11-16 21:42:51· 来源：ATC汽车技术会议 作者：康强
1. 引言：电驱噪音的现状和目标电动车由于动力总成改变，进排气取消，新增动力电池模块等改变，其车内噪声也明显变小：电动车车内噪声变小，是否NVH得到了改善？
1. 引言：电驱噪音的现状和目标
电动车由于动力总成改变，进排气取消，新增动力电池模块等改变，其车内噪声也明显变小：
电动车车内噪声变小，是否NVH得到了改善？
车身+底盘方面：
- 车身结构分布变化、声学包分布变化
- 底盘刚度增加、轮胎抗冲击要求增加
- 风噪／路噪问题凸显
动力总成方面：
- 动力总成从传统内燃机更换为电驱动 系统，总噪声值变小
- 电机表现出高频尖叫声
- 减速器齿轮啸叫明显
- 动总悬置高频隔振能力差
附件电动化：
- 发动机掩蔽效应消失
- 电动空调压缩机噪声显现
- 继电器异响
- 水泵／真空泵等子系统噪声突出
▲500-4000Hz的啸叫噪音主要由减速器齿轮阶次贡献；5000Hz以上的啸叫噪音主要由电机极数的阶次贡献。
▲电机的电磁激励噪声（包括开关频率噪声）频率高达4kHz以上，而人耳对1k-6kHz噪声非常敏感， 即使电机噪声幅值降低到35dB(A)，仍然能被人耳感知到，从而引起抱怨。
特征①：电磁激励噪声，其噪声 主阶次成分为电机的极数和槽数。
特征②：PWM载波频 率，与逆变器开关频 率的控制策略有关， 逆变器将高压直流电 转变为交流电时产生 该噪声成分。
特征③：电机结构共振 产生的噪声。
更安静的电动车，对减速器NVH有了更苛刻的要求：
瞬间提速， 瞬间大载荷，容易导致齿轮变形风险增大。
大速比，高转速，会使齿轮阶次频率增大。
NVH重要度前移， 更高的NVH要求。
▲相对于传统车，电动车的减速器齿轮传递更大的扭矩，更宽的工作转速范围，使得齿轮啮合啸叫噪 声异常突出，并且更高的频率阶次也不容易被掩蔽。
▲最高频率至8000Hz，车内电机阶次目标为低于30dB(A)，人很难感觉到；全负荷工况电机本体噪音在额定转速处有一个拐点。
▲最高频率至3000Hz，车内齿轮阶次目标低于35dB(A)，人很难感觉到；全负荷工况减速器齿轮噪音在额定转速处有一个拐点。
2. 电机噪音的测试和分析
在半消声室的转毂试验台上 进行车辆试验。 分别测量了三相电流、驱动总成近场噪声和驾驶室内部噪声。
得出电机的48阶噪声峰值主要是 由电机定子的0阶变形引起的。
为了进一步分析电机的噪声，消除减速器等部件的影响，将驱动电机安装在半消声室内的测功机上；加载电机置于吸声方盒中，加载电机的辐射噪声可以忽略不计；麦克风设置在距电机外壳表面1米的 距离，围绕电机周围5个方向；在电机壳体和轴承位置上分别设置加速度传感器。
电机噪声的主要阶数是：
- 8阶（电机极数）的1次、3次、 4次、5次、6次；
- 44阶和52阶(来源不详) 中心频率为10000Hz(为逆变器开关频率)的伞形噪声；
另外，电机噪声表现出三个共振频率带。
- 电机噪声阶次中，声压级最大的为 48阶。其最大声压级相比其它阶次高出30dB。
- 额定转速(4200RPM)以下扭矩对噪 声（48阶）影响较小；
- 在额定转速以上，扭矩越大，噪声 （48阶）越大。100%转矩与50% 转矩之间的噪声差约为20dB, 100% 转矩与20%之间的噪声差约为30dB。
3. 电磁激励源的分析
- 48阶频率的电磁力波主要空间阶次为0阶，与5673 Hz的定子(0,0)阶模态一致。因此，在这种情况下， 定子受到激励，产生明显的振动和噪声。
- 而592 Hz的定子(2,0)阶模态和1730 Hz的定子(3,1)阶模态的振型与0阶空间模态不同，虽然定子也在 这两个频率下受到激励，但振动幅值要比(0,0)阶振型小得多。
- 48阶噪音主要来源于：4. 转子磁场和定子槽相互作用。可通过电磁或结构手段优化；
- 电流谐波可导致阶次为电机极数的倍数的电磁噪音。可通过控制手段优化。
4. 改善方案和建议
为了降低电机噪声，主要有以下措施:
- 结构方面: 通过增加定子结构的刚度或阻尼，可以改善定子的谐振峰。然而， 定子刚度目前已难以提高，且仍然会有更高频率的共振。
- 例如，假如共振发生在大约7000RPM，对应于车速大约 100km/h。如果我们想把共振发生的速度提高到120kph，我 们必须把定子0阶模量从5700Hz提高到6840Hz ，即提高 1140Hz。目前很难实现1000Hz以上的模态频率增加，因为电 机的模态频率已经优化。增加定子与机壳之间的阻尼是一种可行的解决方案。
- 磁场方面: 通过改善磁场波形，减小气隙磁通密度的幅值，从而减小力波的幅 值，可以改善噪声。这些措施包括增加气隙、增加定子绕组每相数、 转子开槽、磁钢位置和形状优化、采用分段斜极等电磁结构优化。
- 控制方面: 通过反向谐波电流注入或谐波电流抑制等控制策略，可以改善电流 谐波导致的电磁噪音。
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