简单分析电动汽车振动噪音问题的电机“本体解”（一）

在早期的文章中，我们介绍了电动汽车振动噪音的整体性概念，强调振动和噪音是个系统性的问题，需要从系统的角度去理解和解决。 本期，我们回到问题的源头---电机本体。尝试回答如何从电机本体去理解问题和解决问题。

为什么电动汽车电机振动噪音问题会突出？

电机都有振动噪音隐患， 但电驱动电机更加突出。这一方面是因为要求更严格了，因为电机的振动很容易通过传递引起减速器、车架等部件的二次振动和耦合振动；另一方面电动汽车应用的工况特点也对电机产生了较大的约束，这些约束会恶化振动噪音问题 。比如说高磁密问题和集中绕组问题。

电驱动电机的在性能上追求高功率密度、高转矩密度，在经济上又强调低成本。这导致了设计气隙逐步减小，气隙磁密逐步提高。最终高磁密的问题会反映到电机的噪音和振动水平上。



最近几年在低速车微型车领域，出现了许多集中绕组式的电机。集中绕组就是近槽极比配合，绕组跨距为1的电机。这种设计一方面是因为绕组端部小，能减少用铜量，另一方面是为了迎合大规模自动化生产的需要，集中绕组能够直接自动绕线，生产效率极高。但集中绕组却带来了很大的振动噪音挑战。这是因为集中绕组的分数槽结构，产生了大量低阶齿谐波，这些谐波容易和基波相互配对产生低空间次数的电磁力波。而低空间次数电磁力容易在机壳和定子上激励出较大的振动响应，并伴随作噪音问题。



随着对续航里程的要求提高，电动汽车的轻量化趋势明显，一方面电机本体的机壳和定子的厚度再降低，另一方面减速器、车桥、车架的质量也在下降。这导致了无论是本体还是系统的刚度都在下降，相同的电磁力激励会产生更大的振动响应，还可能会引起更大的噪音。



如何分析振动噪音问题？

欲解决振动噪音问题，必先解决如何分析问题。这里就有很多方法和流派，总的来说可以归纳为：自上而下和自下而上两种方法。



自下而上是经验派的主要工作方法，解决的套路和破案差不多，先到案发现场收集证据，然后分析可能的嫌疑对象，针对嫌疑对象进行调查，然后给出假设逻辑链和证据链。一旦锁定了目标，就做出针对性的修改，重新做一台电机来检验假想是否正确，如果正确了，问题解决，否则推倒重来。

自上而下是学院派的主要工作方法，学院派相信理论，相信方法论，在设计时就通过模型技术分析出了可能的故障特征，如果有问题及时更改设计。如果实测时发现了未预料到的故障特征，也会通过改善模型精度和计算方法来逐步逼近问题。

在实际工作中，我们应该做集大成者，这两种方法要结合起来用，相互配合，从长远来看，应该以学院派为主，经验派为辅助。下面我着重介绍 自上而下的分析过程：



第一步：电磁力计算，一般需要计算出两类电磁力。一类是定子齿顶上每个单元的电磁力，以便后续的结构分析用，这是一种实时的分布力。另外一种是气隙中的电磁力波，即电磁力的波函数，它是用来分析电磁力可能产生的原因。简单的说：前面一种电磁力是用来模型计算用，后面一种电磁力是用来逆向分析用，它们是源同而表达方式不同。

第二步：模态计算和验证。模态计算的精度受约束条件、浸漆、绕组等因素的制约，不太容易一次获得精确解。因此需要通过实际检测的结果来修正各种约束和阻尼的设置。模态的实测方法一般为锤击法。模态分析即是为了修正模型，又可以用来预测共振的风险。

第三步： 振动响应分析，计算第一步的电磁力施加在第二步的模型上，机壳、定子的瞬态响应。获得关注点的加速度和速度振动的幅值和相位。

第四步：噪音分析和预测，通过声学分析软件，计算球面噪音的频率分布和分贝。

如何解决振动噪音问题？

关于这一点，各家都有各家的手段。有的侧重通过工艺来解决问题， 有的侧重电机本体设计，有的侧重从控制器角度来解决问题，更有集大成者 采用综合性策略。

从工艺路线解决，是一种被动解决方案。常用的手段是，改善浸漆质量比如通过二次浸漆提高挂漆量和浸透深度。类似的方法还有改善铁芯叠压质量，降低齿定的弹片量、改善绕组端部长度和绑扎质量等等。这些手段的本质是提高结构系统的刚度和阻尼，从而减弱振动的幅值。

从本体设计路线解决，是一种本质性解决方案，主要的思想是从振动发生的源头出发，能减弱电磁力就减弱电磁力，减弱不了就让问题电磁力的频率避开结构体的固有频率。相应的手段有槽极比选择，它可以明显改变电磁力的频率分布；提高气隙均匀度，能控制电磁力成分，不均匀的气隙会导致额外的谐波并产生额外的电磁力。除此之外还有许多方法，不一一例举。

控制路线解决，在电机本体问题无法排除的情况下，还可以发挥控制器的主观能动性，硬件不行就软件补。常用的方法是谐波管理。它可以从正反两面来解决问题，举个例子：如果已经明确分析出5次电枢谐波是导致振动噪音的主要源头，那么控制时就对5次谐波作单独抑制，从而减弱噪音。如果反过来发现主要噪音是1阶齿谐波引起的，而5次电枢谐波刚好能够抵消掉1阶齿谐波产生的电磁力，那么我们就主动注入5次电枢谐波，就好比以毒攻毒。在国外，从控制侧解决振动噪音问题成为研究热点，因为这种方法机动灵活，不需要增加成本。



下面我先举三个 国外学者从电机本体解决问题的方法，以便打开思路，启发灵感。

第一个例子是针对集中绕组的齿槽谐波引起的噪音的。有人对定子齿作了如下图的修形处理，将圆弧面修成平面。并以齿顶宽和齿顶高作为可变参数，作了参数化计算。最后优化的结果是能将电机的振动降低7%。



第二个例子是关于扭振和斜极的。这位前辈第一款电机将转子分成两段，两段间斜了半个槽。这样达到了降低转矩脉动，车辆在启动过程中更平稳，但发现电机在3000-4000HZ的噪音特别大。问题出在扭转共振上，该电机定子的第三阶扭转模态频率在3725HZ，振形为上下反向拉伸，上下的相位刚好相反。而两段式斜极导致上下两段的齿槽转矩相位也是相反的。这样就和振型就高度一致 了，在某个转速下必然导致扭转共振现象。解决的方法就是改进斜极方式，如下图两种新的斜极方式，实测下来噪音改善效果都很明显。



第三个例子 利用转子不对称修形和复合达到类似斜极的效果。如下图所示，有两种转子冲片，A冲片左极弧小于右极弧，B冲片则刚好相反。两种冲片通过A-B-A的方式复合成一个转子，实测后效果很好。不但明显降低了1000-2000HZ噪音，齿槽转矩也有相当比例的下降。



再举两个通过控制侧解决噪音问题的方法：

第一种方法是利用双控制器，降低高频电磁噪音。如下图所示，通过双控制器能明显抑制电机电流的PWM谐波。达到降噪的效果。



另外一种观点思路比较新颖，有位前辈发现电机的主要振动模态是4阶，而引起该阶振动的电磁力，受交直轴电流影响非常大。他作了仿真和试验，发现不但电动状态和发电状态振动不一致，即便在电动状态的第二相限（Id为负，Iq为正），不同的Id和Iq分配，振动大小也不一样。因此他提出一种观点，就是在电机和控制器耦合设计时，应以优化电磁力为目标，优化电机参数和控制策略，使得电流分配达到最佳噪音效果。但目前还没有看到实际的产品应用。



结论

本周我们讨论了三个问题，第一个为什么电动汽车的电机的振动噪音问题突出，这是和轻量化、高密度化、低成本化的需求相关的。第二讨论了分析振噪问题的套路，有自下而上和自上而下两种流派。其中自上而下的分析过程又分成了四步，分别是电磁力分析、模态分析、振动分析、噪音预测。第三讨论了解决振动噪音问题的一系列方法，可以从工艺出发也可以从设计出发，比较新颖的是从控制出发。希望对你有所启发。