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车用永磁同步电机NVH性能的优化

2024-06-27 10:12:42·  来源：汽车NVH云讲堂  
　

摘要:从电机噪声的分类、产生机理、优化措施三方面分析了永磁同步电机的NVH性能，希望能对电动汽车企业排查整改电机NVH问题起到一定的指导作用。


关键词：永磁同步电机 电磁噪声 电磁力谐波


引言


近些年来，为了应对越来越严重的汽车尾气污染问题，我国政府陆续出台多项政策法规鼓励并扶持电动汽车行业的发展。传统汽车的动力总成形式为发动机+离合器+变速器，电动汽车采用驱动电机+减速器的动力总成形式，结构更简单。


由于永磁同步电机(后文简称为“电机”)具有体积小、质量轻、效率高、功率因数高、起动转矩大等优点，目前已在电动汽车行业获得最广泛地应用。故本文着重对永磁同步电机的NVH性能优化进行分析。


1 电机噪声的分类


由于电动汽车没有了发动机的掩蔽效应，电驱动(驱动电机+减速器）系统噪声成为主要噪声源，其中驱动电机的高频特性使得人们对声品质的关注度大幅上升。且随着驱动电机朝着宽调速区间、更高转速、轻量化等方向的发展，给电机的NVH性能开发带来了更多的挑战。


电机噪声主要分为三大类，即：电磁噪声、机械噪声、空气动力噪声。电磁噪声主要是由定、转子谐波磁场相互作用而产生随时间和空间变化的电磁力谐波，该电磁力谐波作用到定子壳体上，当电磁力谐波频率与定子总成的固有频率相同或接近时，就会产生共振并辐射噪声。机械噪声主要是由于电机部件摩擦(如轴承)、几何形状不规则(如转子不平衡)等产生的噪声，机械噪声一般随转速和负载电流的增加而变大。空气动力噪声是气体在电机散热系统中产生的涡流噪声和笛鸣噪声。其中，电磁噪声对电机NVH性能的影响最大，在设计时应给予慎重考虑。


2 电磁噪声的性能优化


1) 适当增大气隙长度。若将气隙长度由δ1增加至δ2，则以分贝表示的声功率级之差参考如下公式：


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如图1所示，某款电机将气隙由0.6mm增加至0.8mm后，60阶噪声减小10dB以上。要注意的是：随着气隙长度的增加，在噪声降低的同时，电机最大扭矩及效率也会有所降低，故要合理增大气隙长度以更好地平衡电机性能与噪声。


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 2) 合理设计转子结构。合理地设计转子结构能够降低电磁场中的谐波成分，以减小径向电磁力谐波及转矩脉动。如图2所示，某电机定子方案不变，将转子由直极改为斜极，同时对转子冲片及永磁体的形状进行优化，优化后电机的谐响应振动及噪声值均有明显改善。


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3)调整定子总成的固有频率。电机的结构模态是电机NVH的主要因素，对其进行仿真计算可确定电机的结构模态，然后对其结构进行优化可避开主要阶次频率的激励源。如图3所示，对某电机、减速器二合一总成的电机壳体进行加强，加强后整体质量增加约0.9kg，60阶固有频率增加58Hz，同时最大振幅有所减小。分别将采用两种壳体的电机总成搭载到同一车型上进行测试，测试结果如图4所示,壳体加强后的二代机相较于原来噪声最大点降低约8dB。



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3 机械噪声的优化措施


3.1 轴承噪声的产生与优化


一方面，电机转子通过转轴上的滚动轴承与机壳装配在一起，轴承作为中间连接支撑的零件，必将承受定转子及机壳上传递过来的激励，若这个激励与轴承频率相近就会产生振动噪声。另一方面，由于轴承本身的滚珠及内、外圈之间存有间隙，滚珠不够圆润或内部混有杂物，当电机运行时，轴承随转子一起旋转，轴承滚珠、内外圈以及转轴、轴承室之间相互碰撞，导致在高转速运行时会产生很大的轴承噪声。此外，轴承噪声还与润滑状态及温度相关。


降低电机轴承噪声主要有以下途径：采用电机专用的耐高温、低噪声轴承;为避免轴承内部混人水汽、油渍或其他异物，应采用全密封轴承;合理设计轴承外圈与轴承室、轴承内圈与转轴的配合尺寸。


3.2 转子不平衡噪声


转子动平衡不好是产生机械噪声最常见的原因。一般来说，当电机转子质量均匀分布时,轴承仅承受转子本身的质量，此时电机运行会非常平稳。而实际上转子质量是不可能完全均匀分布的，导致电机运行时转子上会产生一个离心力，这个离心力作用到轴承上就会引起噪声，其频率和电机旋转频率相同，属于低频噪声。


目前，为了控制转子不平衡引起的噪声，一般要求转子动平衡等级大于G2.5。电机厂在转子下线时必须进行动平衡检验，根据检验结果在转子两侧的平衡板上打孔，尽可能地减小动不平衡量。


4 空气动力噪声的优化措施


由于电动汽车上使用的电机大多数为水冷或自然冷却，故空气动力噪声主要是跟电机转速、转子表面粗糖度及凸起的零部件形状有关。当电机运行时,转子引起空气流动遇到凸起的障碍物会产生一种鸣笛噪声，称作“口哨效应”。如果电机采用强制风冷的冷却方式，转子和冷却风扇旋转时会引起空气湍流在转子表面交替出现涡流而产生涡流噪声。


对于空气动力噪声的改善，一般应合理设计电机结构，在空气流通路径上消除凸起的零部件；同时，保证定、转子表面具有较好的粗糙度等级。



作者：马龙，宫庆伟


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