基于某款纯电动汽车永磁同步电机不同转子 磁钢结构对噪声影响的分析

摘要

对某款纯电动汽车车用永磁同步驱动电机噪声进行测试和分析。根据测试结果，得出驱动电机产生的48阶次噪声比较大，严重影响驾驶感受。为削减永磁同步驱动电机产生的48阶次噪声，本文从驱动电机转子磁钢结构方面进行探讨，提出4种驱动电机转子磁钢结构方案，分别对其进行台架的测试与验证。结果显示不同转子磁钢结构对噪声的表现差异较大。其中4段式平行结构对48阶次噪声改善效果最大，提高整车的噪声表现。此项研究与探讨同时也对电动汽车永磁同步电机的噪声整改积累一定经验。

关键字：纯电动汽车；永磁同步驱动电机；48阶次噪声；转子磁钢结构；舒适性能

永磁同步电动机因其体积小、质量轻、效率高等特点被广泛用于纯电动汽车。作为纯电动汽车的动力源，和传统汽车一样，是产生整车噪声的一个主要来源。而不一样的是和传统汽油车相比，纯电动汽车的动力源永磁同步电机产生的高频噪声，尖锐刺耳让人难以忍受，造成的危害更大，影响驾驶员和乘客的身心健康。噪声作为电机的主要质量指标之一[1]，其噪声的大小决定了整车的舒适性。

本文基于对某款纯电动汽车车用永磁同步驱动电机噪声进行测试和分析，数据上发现全油门加速工况车速在25Km/h~75Km/h对应电机转速1500r/min~6000r/min之间的48阶次噪声声压级较高，人耳也能明显听出高频刺耳啸叫声[2]。因电机已量产，重新设计电机的磁路结构成本高、周期长、产线也需要大变，花费代价太高，本文在仅改变转子磁钢结构的基础上优化永磁同步驱动电机48阶次噪声，以较小的代价控制其声压级以达到可接受范围。

2  驱动电机转子磁钢优化分析

电机的电磁噪声主要是由电机内部振动而产生，各阶次的谐波会引起振动，削弱各阶次的谐波对电磁噪声的改善起到很大作用，而转子分段斜极是一种能有效削弱齿谐波、改善电机齿槽转矩和转矩脉动的常用方法[3]。

2.1 原电机转子磁钢两段式斜极结构

图二所示为某新能源电动汽车初始转子磁钢示意图，转子磁钢分为两段式，为两段式斜极结构。为找出效果较好转子磁钢方案进行整车搭载验证，测试两段式斜极台架数据与优化后的转子磁钢方案对比，选出台架测试最优方案。电机运行工况：模拟整车全油门加速。


图2 某新能源电动汽车初始转子磁钢示意图

图三所示为两段式斜极在台架上测试数据，测试转速为1500到6000转，匹配整车在此转速段的噪声。数据上可看出此转速段48阶次噪声在70分贝以上，最高达80分贝以上，驾驶员在驾驶室内能明显感受到尖锐的电磁噪声。


图3 2段式斜极台架测试数据图

2.2 4段式斜极V型结构

图四所示为4段式斜极V型结构转子磁钢示意图，改变磁钢结构到V型，电机运行工况：模拟整车全油门加速。


图四 4段式斜极V型转子结构示意图

4段式斜极V型结构的噪声测试结果如图五所示，其48阶次噪声在1600r·min-1~1900r·min-1转速段及3900 r·min-1噪声反而升高，此方案使得噪声效果变差。


图5 4段式斜极V型结构台架测试数据图

2.3 4段斜极ZigZag结构

图六所示为4段斜极ZigZag结构转子磁钢示意图，磁钢采用四段式交叉布置。电机运行工况：模拟整车全油门加速。


图6 4段斜极ZigZag结构转子磁钢示意图

4段斜极ZigZag结构转子磁钢示意图噪声测试结果如图7所示，其48阶次噪声在1 500~3 000 r/min转速段及4 600 r/min以上有一定的改善效果，噪声降低约4 dB，全转速段的噪声平均值低于优化前。


图7 4段斜极ZigZag结构台架测试数据图

2.4 6段斜极ZigZag结构

图八所示为6段斜极ZigZag结构转子磁钢示意图，磁钢采用6段式段式交叉布置。电机运行工况：模拟整车全油门加速。


图8 6段斜极ZigZag结构转子磁钢示意图

优化前后的噪声测试结果如图九所示。优化后的方案其48阶次噪声在2300r·min-1之前噪声效果变差，高于优化前2-6dB，2300r·min-1以上改善效果较明显，噪声降低最大值达到15dB，全转速段的噪声的平均值远小于优化前。，此方案配合低转速段噪声抑制方案也可使得整车有个较好的噪声效果。


图9 6段斜极ZigZag结构台架测试数据图

2.5 4段斜槽平行结构

图十所示为4段斜槽平行结构转子磁钢示意图，磁钢采用4段式平行斜槽布置。电机运行工况：模拟整车全油门加速。


图10 4段斜槽平行结构转子磁钢示意图

4段斜槽平行结构的噪声测试结果如图十一所示，其48阶次噪声在全转速段都有改善效果，低转速段效果比较明显，降幅达6~15dB。因低速段工况驾驶员使用频率较高，采用此方案能达到较好的结果。


图11 4段斜槽平行结构结构台架测试数据图

结论

本文从驱动电机转子磁钢结构方面进行台架的测试与验证。测试结果显示不同转子磁钢结构对噪声的表现差异较大，4段式斜极V型结构多噪声不仅没有改善反而使得噪声效果变差。4段斜极ZigZag结构和6段斜极ZigZag结构仅对部分转速段有一定的改善。6段斜极ZigZag结构方案配合低转速段噪声抑制方案也可使得整车有个较好的噪声效果。4段斜槽平行结构对48阶次噪声改善效果比较大，低速段降幅达6~15dB，48阶次噪声降低到较好的水平，5000转以下也是城市工况最常用转速段，采用此方案可提高整车的噪声表现。


参考文献
[1] 陈永校,诸自强,应善成. 电机噪声的分析和控制[M]. 浙江：浙江大学出版社, 1987
[2] 陈士刚,沙文瀚,杭孟荀,等. 某款纯电动汽车用驱动电机噪声分析[J]. 汽车零部件, 2019(1):22-24
[3] 姚学松，陶文勇.某款电动汽车驱动用永磁同步电机噪声分析[J]. 汽车零部件,2019,26(12):74-77