电驱动NVH特点以及研究现状

摘  要

随着全球的电动汽车热潮的推进，电驱动总成的NVH 性能越来越受到重视，逐渐成为研究学者们的研究重点。NVH 是噪声、振动与声振粗造度（Noise、Vibration、Harshness）的英文缩写，汽车驾驶的舒适性与作为电动汽车核心部件的电驱动总成有关，电驱动总成的振动噪声的表现直接影响电动汽车的NVH 性能。本文通过对驱动电机进行理论分析，从而推导出驱动电机的NVH 性能。

关键字：电驱动总成　电磁场　动力学　振动噪声

作者：占雨兰

单位：广州尼得科汽车驱动系统有限公司

前  言

随着国内新能源车的提出，让大家对电驱动更加关注，然而电驱动也存在一些问题[1-3]，具体表现为：

1.1　电机NVH

特征一：电磁激励噪声，其噪声主阶次成份与电机的极数和槽数有关。

特征二：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。

特征三：电机结构共振产线的噪声。


图1　电机结构中定子组件共振测试

1.2　变速器NVH

缺乏了发动机噪声的掩蔽效应，使得电动车对减速器NVH 有了更苛刻的要求。


图2　三合一产品齿轮噪声阶次频谱分析图

相对于传统变速器，电动车的减速器齿轮传递更大的扭矩，更高的工作转速区，使得齿轮啮合噪声变现出更高的频率或阶次（1000-4000Hz 以上），极易在车内产生齿轮啸叫。

1.3　动车总成悬置系统NVH

相比于传统车，电机悬置系统的边界条件有明显变化：

电驱总成没有发动机的怠速，工作转速从0 rpm 开始。电机转速高，最高频率远大于发动机激励频率。没有发动机噪声的掩盖，高速减速器齿轮噪声将在动力总成噪声中突显。悬置隔振的主要频率区重点关注高频段区域。

除了考虑悬置的隔振性能，也要需要考虑其抗扭性能。尤其对于电动汽车而主，其电机扭矩大（1000 rpm 即可输出高达250-350Nm），响应快，对整车的瞬态冲击更大，在TIP IN/OUT 工况下很容易造成整车前后抖动。

电动车悬置系统的输入激励、隔振频率区等边界条件和NVH 指标要求与传动车有明显变化，不当的悬置设计方案会加剧振动传递。

因此本研究就针对电驱动现有的问题进行了进一步的设计与改进，进而得到性能优异的电驱动装置。

正  文

从动力总成角度概括说明：动力总成从传统内燃机更换为电驱动系统，总噪声值变小；电机表面出高频尖叫声；减速器齿轮啸叫明显；动总悬置高频隔振能力差。电驱总成NVH 解决方案与应对措施 通常如下:

1）建立完善电驱系统NVH 开发流程，是产品性能管控和质量保障的关键。

2）掌握基于“电磁场- 结构场- 声场”多物理耦合的驱动电机振动噪声模拟分析方法，NVH 参与产品设计，从结构设计上提出改进方案。

3）建立“零部件级- 总成级- 整车级”电机NVH 校验流程，掌电机每一层级NVH特性。尤其是定转子由多层硅钢片组成，物理性能表现为各向导性，需通过试验模态来校核弹性模量结构参数。

4）识别NVH 问题工况与激励成分，依据CAE 分析模型对问题原因进行快速诊断，制定改善方案并验证效果，达成电机NVH 正向开发与闭环。

而本文主要通过以下几个方面来重点讨论电驱总成NVH 的其他解决方案：

1、针对不同电机，需要寻求合适的结构设计参数

电机产品和工艺参数的设计主要通过以下几个方面来进行：

·  适合的基槽配合比：

·  斜极斜槽方案

·  适当的气隙宽度

·  定子齿形、槽型优化

·  定子槽口设计、选用磁性槽楔；

·  转子磁级形状、布置位置与角度优化

·  转子辅助槽、隔磁桥优化

·  减少电机几何和磁场的不对称；

2、电流谐波注入策略

根据转矩、电角度以及磁链谐波等信息产生谐波电流并注入系统进行控制，消除系统转矩脉动( 图3)。


图3　NVH 中的阶次与分贝分析图

3、减速器NVH 开发—齿轮激励控制减速器NVH CAE 分析流程如图4 所示：


图4　减速器NVH CAE 分析流程图

EV 减速器与传统变速器的差异点：低速大扭矩负荷，工作转速提升到12000-15000 rpm 以上高转速区，缺乏发动机噪声的掩蔽效应等。

其中减速器NVH 开发主要采用齿轮激励控制方法，主要有：

·  高重合度设计

·  NVH 开发前移需要重点关注的设计项

·  高于传统齿轮设计的重合度目标值高齿面加工工艺

·  避免谐频，倍频问题；更好的产品一致性

·  高扭矩微观修形

基于电动车齿轮NVH 目标体系，在齿轮结构设计上对齿轮宏观和微观参数进行优化，提出改进方案。主要分为如下：

1）齿轮产品和工艺参数：

主要通过计算中间齿轮转一圈，电机的转数、电机转一圈时，中间齿轮和齿圈啮合的次数以及齿圈转一圈，电机的转数来了解齿轮的基本情况。

2）节次分析，不同的节次代表了电机不同的状态，主要内容如表1 所示：

汽车驾驶时，输入轴向减速侧施加推力负载，驾驶时的制动图如图5 所示：

汽车制动时（含刹车）输入转向电机壳体施加推力负载。另通过摩擦传递，也会向电机轴产生推力负载。主要的作用图如图6所示：

表1　节次分析



图5　汽车驾驶时的制动图


图6　汽车制动时的作用图

结  论

根据以上的分析（电机参数、节次分析）以及目前的验证情况、齿轮基本信息方案，我们可以得到以下结论，供同领域的研究人员参考：

①机倒棱；

②维持现状11.5μ；

③鼓形量调整至5μ；

截至2021 年1 月共有1340 台的齿轮胶合有改善并成功装车。



参考文献：

[1] 温传新，王培欣，花为. 电动汽车驱动系统的研究现状与发展趋势[J]. 微电机，2019.

[2] 何洪文，余晓江，孙逢春，等. 电动汽车电机驱动系统动力特性分析[J]. 中国电机工程学报，2006.

[3] 路福俊. 电动汽车驱动系统的研究[J]. 价值工程，2013（16）：45-47.

作者简介

占雨兰：（1986.11.06—）， 女， 汉族， 江西省南昌市人，2007 年毕业于湖北职业学院模具设计与制造专业，主要从事于电机工艺设计，现任广州尼得科汽车驱动系统有限公司技术部科长，现已具有中级职称。