简单分析电动汽车振动噪音问题的电机“本体解”（二）

在上一篇文章中，我们讨论电机振动噪音问题评估的一般过程。我们发现针对振噪问题，有自上而下和自上而下两种方法。本期用一个30kw电机的例子来说明如何在具体的工作中灵活的应用这两种方法。

为什么要做集大成者



在处理电机振动噪音问题上，我们自然的分成两个流派。工程派们喜欢从噪音振动的经验感觉出发去解决问题，学院派喜欢从理论模型出发来分析问题。两种方法各有优劣。

工程派的缺点显而易见：

其一：工程派的方法过于依赖经验，这种经验只能通过自己体验或者老司机们的言传身教才能获得，不利于继承发扬。
其二：很多问题是同源异表，或者异源同表，病症不同而病因相同，或者病因相同病症却不同，完全靠经验很难区分。

学院派们的理论模型分析法也有很多缺点：

其一，理论分析往往从稳态理想状态出发，比如恒转速，恒转矩等，而现实中振动噪音很多是在加速、调速等瞬态过程中发生的，分析结果很难直接应用。
其二，电机的理论振源有很多，有很多可能性会导致异常振动噪音，有可能是转子偏心引起的，也有可能是槽极配合不当。分析一个过程耗时耗力，很难把各种可能性全部遍历。

问题倒逼思考，困难促进成长。在现实需求面前，很多前辈惊才绝艳，修炼成了集两家之长的武功， 成了能够综合运用的集大成者。接下来介绍一位绝顶高手解决问题的招式和套路。

黑盒白盒法

在面对电动汽车振动噪音问题时，这位前辈创造了一套新颖的招法。虽然理论不是首创，但在电动汽车上的应用足以让我辈望其项背。这套方法叫黑盒白盒法。



所谓“黑盒”就是“黑盒测试”的黑盒，将电机作为一个内部不可知的对象，不考虑电机内部是怎么构成的，只关注电机的外特性。所谓“白盒”和“黑盒”相反，电机对我们是完全开放透明的，我们能够明确知道电机的理论结构和特性。 黑盒白盒法 由三大步构成：

第一步白盒模型学习。获得两个东西：1电机的主要电磁力的理论频谱；2这些频谱背后的构成成分，这些成分可以是第一阶齿槽谐波或者第3次永磁谐波；



白盒学习关键在于分析清楚各阶谐波构成了哪些电磁力波，哪些电磁力波是主要，哪些电磁力波是次要的，一般空间次数小，幅值大的力波是主要矛盾。然后将这些力波的频率随转速变化特性计算出来，画在瀑布图上（纵坐标是转速，横坐标是频率），它是一条斜线，频率随速度变化而线性增长。

第二步黑盒实物测试。这位前辈构建了一个电机测试平台，能够测试出恒速和加速过程中的电机振动和噪音数据。这个测试平台是一个对拖测试平台，一台作为电动机运行，一台作为发动机运行，可以模拟汽车运行中各种工况。



黑盒测试主要获得两样东西：1 实际噪音频谱（包括噪音瀑布图）；2 总体声压和声功率随速度变化曲线；



通过黑盒瀑布图和白盒瀑布图的对分析发现：除了理论噪音频谱外，还有更丰富的噪音频谱特征。这些噪音频谱大都是基波电流之外的电流谐波产生的。这位前辈将复杂的噪音频谱分解成了若干独立成分。



分解噪音的成分来源，需要依据工程师的实际经验，判断出哪些是基波噪音，哪些是谐波噪音，哪些是机械噪音。通过测试还发现噪音最强的状态是空载400rpm时，以此判断出将400rpm空载作为主要的分析工况。

第三步 四步法模型分析。就是分析在400rpm空载状态下电磁力以及振动响应和噪音分布。以此来找出异常噪音的来源。



电机振动噪音评估的一般过程如上图所示。下面结合实际案例具体说说每一步是如何实施的。

一：电磁力的计算，一般有两种方法获得电磁力，其中一种是集中电磁力法一种是节点电磁力法，各有优劣。



集中电磁力计算的过程如下：先计算气隙磁密，然后通过公式计算气隙中的电磁力，累积计算多个时间，即可获得完整的电磁力时空分布。然后将电磁力映射到我们需要研究的结构体上，可以是定子齿，也可以是转子磁钢，转子每极的表面。集中电磁力计算一般是手动进行，所以选择的对象一般较粗大。（比如一个齿为一个对象。）



这个例子中研究对象选择了每一极的转子表面，计算出了每个极表面的电磁力时间分布。然后针对每一极上可以作电磁力频谱分析，获得电磁力的频率分布特点。也可以分析某一个时刻下，所以极电磁力的大小，我们看到每个极的电磁力大小是不一样的，将所有极的电磁力作统一整体分析，可以获得电磁力波的空间分布。 有了某个对象电磁力时间分布和空间分布，也就把这个电磁力完整的描述出来了，在后续的分析中就可以准确的施加。这也是集中分布力计算的优点。缺点就是需要较多的手动操作量。

分布电磁力的计算，是有有限元软件计算而成的，软件能够直接计算出每个网格内的电磁力，并且储存了所有步长下电磁力数据。如此可以方便的获得每个节点的电磁力时间分布。可以直接作为后续振动分析软件的激励源。优点是不需要手动计算，非常方便。但这要求 结构分析软件和电磁分析软件的强耦合。另外一方面，不方便确定电磁力波的空间分布，不利于工程师判断电磁力的性质和来源。

二：模态计算和校正



模态计算时需要注意定子铁芯轴向的弹性模量和泊松系数是不确定量，需要通过实验来求得，有位前辈给出了他的一组测试结论，在上图的右上角。如果发现模态的频率和振型（空间次数）和第一步中集中电磁力计算的频率和空间分布高度接近，那这种电磁力就非常危险。



模态测试能够获得的阶次多少，取决于传感器的点的布置，点数越多阶次越多。通过模态测试不但能够获得固有频率还能够获得阻尼系数。

三：振动分析



施加电磁力后，这位前辈通过振动分析，获取了机壳、薄端盖、厚端盖的振动数据，发现薄、厚端盖的一阶固有频率附近都有较大的振幅。判断出这是400rpm工况下异常噪音的主要振体。

四：噪音预测分析



通过噪音仿真计算和黑盒测试的噪音频谱分析作对比，发现两者有一个共同特征就是580HZ和1440HZ附件都有较强的振动频谱，这两个刚好是端盖的共振频率，以此进一步验证了前后端盖共振是异常噪音的故障原因。



最后根据白盒和黑盒测试阶段画出的瀑布图，发现第3和第8阶力波在400rpm时分别和两个端盖的固有频率是重合的。而第3阶力波可以判断出是3阶齿谐波引起的，这就给出了问题的根源所在。

最后的改良方案



优化噪音，必先优化振动，根据振动幅值的计算公式，可以通过减小激振力、增大端盖质量、增大阻尼的方法来抑制振动幅值。最后这位前辈选择了增大阻尼的方法来优化，将整体噪音降低了9.72dB

总结

总结一下，白盒黑盒法实际上是一种理论分析--工况测试--模型仿真综合应用的一套组合拳。
通过白盒分析，我们了解了电机设计水平和特点，对电机可能的引起噪音的谐波有一个定性的把握。
通过黑盒测试，对电机在不同工况下的噪音特征有了完整的把握，能够锁定那些特别异常的工况。
通过模型仿真，我们能够精准的预测电机各部分的振动响应和噪音特征，并判断出哪些电磁力导致了这些异常振动。从而能够锁定优化对象，给出最佳的优化策略。
招式好学，内功难练。理论不精熟，基础不扎实，只不过是花拳绣腿。因此在开了眼界之后，还需要我们静下心来，在工作中应用琢磨，成为自己的东西。