驅(qū)動電機(jī)零階模態(tài)及振動噪聲淺析

來源 | CAE之家

一、電機(jī)振動原因

永磁同步驅(qū)動電機(jī)是電動汽車的核心零部件之一，其性能優(yōu)劣直接決定了整車的品質(zhì)。驅(qū)動電機(jī)的振動會產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲污染，影響乘坐舒適性，更重要的是會使其性能有所下降。目前，電動汽車驅(qū)動電機(jī)的振動和噪音問題一直是我國電動汽車制造的薄弱環(huán)節(jié)，其技術(shù)很難達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

一般來說，逆變器控制的驅(qū)動電機(jī)振動原因可以簡要概括四類：

（1）電磁噪聲

電機(jī)氣隙磁場相互作用產(chǎn)生隨時間和空間變化的電磁力波，這種電磁力波將引起電機(jī)定子和殼體產(chǎn)生振動。定子與殼體的振動進(jìn)而又引起周圍空氣的振動即產(chǎn)生電磁噪聲。特別是當(dāng)電磁力波的空間階數(shù)與頻率分別與定子結(jié)構(gòu)模態(tài)振型與頻率接近時，將會引起嚴(yán)重的共振。

（2）機(jī)械噪聲

驅(qū)動電機(jī)的機(jī)械噪聲一般由制造與裝配時導(dǎo)致的偏心（靜偏心、動偏心、混合偏心、定轉(zhuǎn)子尺寸加工精度不良等）與軸承噪聲引起。軸承因溫升過高、載荷過大，潤滑不良與安裝不到位等使其出現(xiàn)異響，加劇軸承噪聲。

（3）空氣動力噪聲

空氣動力噪聲，多產(chǎn)生于采用風(fēng)扇自冷的電機(jī)。風(fēng)扇葉片高速旋轉(zhuǎn)，使周圍氣體產(chǎn)生渦流擾動以及周期性脈動，導(dǎo)致被攪動的氣流碰撞散熱筋、緊固螺栓和其他突出障礙物而產(chǎn)生噪聲。為了減小空氣阻力，高速運(yùn)行的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)件一般均未采用突出的緊固螺栓及散熱筋，致使空氣動力噪聲在驅(qū)動電機(jī)領(lǐng)域并不明顯。

（4）??開關(guān)噪聲

控制器開關(guān)頻率引起的一系列電流諧波，與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生的力波作用在定子上使其產(chǎn)生高頻的振動噪聲。開關(guān)噪聲與其控制有直接相關(guān)，采用rPWM可以很好地削弱開關(guān)噪聲。

二、電機(jī)模態(tài)與振動的關(guān)系

（1）電磁力波特性

?驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行中，定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生切向與徑向電磁力波并引起電機(jī)的振動和噪聲是電磁噪聲的主要來源。解析分析電機(jī)電磁力波如下表所示。電磁力波分布如下圖所示。?

（2）電機(jī)模態(tài)主要特征

機(jī)械振動一般是由多個激勵源疊加后的共同作用效果，每一個振型，都有一個振動頻率，即固有頻率。當(dāng)外界激勵激起某個結(jié)構(gòu)振型，并且激勵頻率又接近那個振型的固有頻率時，就會發(fā)生共振。模態(tài)分析是針對機(jī)械結(jié)構(gòu)確定其振動形態(tài)與頻率的技術(shù)方法。因此，研究電機(jī)的振動噪聲特性，首先要計算出電機(jī)及其主要零部件的固有頻率，即進(jìn)行模態(tài)分析。驅(qū)動電機(jī)的電磁振動與噪聲主要來源于定子和殼體的振動，并通過電機(jī)的殼體向外輻射噪聲。因此定子模態(tài)在驅(qū)動電機(jī)本體的振動分析顯得至關(guān)重要。將定子近似環(huán)形，其徑向振型如圖所示。

(3)???電機(jī)振動主要特征

（I）當(dāng)電磁激勵的空間階數(shù)、頻率與模態(tài)的振型與頻率接近時，發(fā)生電磁共振。如下圖所示。

（II）一般地，電機(jī)振動位移與激勵成正比，與其結(jié)構(gòu)的彈性模量成反比、與空間振型模數(shù)的四次方成反比等。

三、驅(qū)動電機(jī)零階模態(tài)及噪聲說明

(1) 案例一

Smart 車的近場噪聲如下圖所示，Smart驅(qū)動電機(jī)采用博世電機(jī)（極槽配合為6/36）。

電機(jī)引起整個總成振動最大振動階次為36。

第一處36階在1.7KHz，如圖中a處。（根據(jù)分析與計算認(rèn)為此處為零階扭轉(zhuǎn)模態(tài)或轉(zhuǎn)子靜偏心所為）。

第二處36階在3.7KHz，如圖中b處。作者提及電機(jī)單體測試時，在此處及傳遞路徑中并沒有發(fā)現(xiàn)，但在與總成測試過程中，發(fā)現(xiàn)在在齒輪端出現(xiàn)了此噪聲，由此可以推測為電機(jī)扭轉(zhuǎn)引起總成噪聲變化。

第三處36階在5-6KHz，如圖中c處。模態(tài)仿真分析確定電機(jī)零階模態(tài)頻率在5kHz左右。通過實驗（經(jīng)驗等）校核得知一般零階模態(tài)頻率約高于仿真值，由此可以估計驅(qū)動電機(jī)零階頻率約在5-6kHz這個范圍。故此范圍的振動極大可能由零階模態(tài)共振引起。

另外，電機(jī)控制器的開關(guān)頻率引起的一系列電流諧波與電機(jī)氣隙磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力波。如上圖d處。其分布特征

其中k1與k2同時取奇偶。其中d 處在與72階相交處易引起0階模態(tài)（即breathing mode）共振。

Smart for two搭載了一兩級單檔箱，其齒輪配合分別為21、46、17、77，速比為9.922 ，因此在二級齒輪軸與電機(jī)輸出軸端及半軸輸出端齒輪嚙合過程將會產(chǎn)生兩類噪聲。一級齒輪軸有21個齒，在齒輪嚙合中，電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈齒輪嚙合響應(yīng)21次，故此將產(chǎn)生21階噪聲以及其倍數(shù)階次42，63等。同理可推導(dǎo)出輸出端產(chǎn)生7.76階以及其倍數(shù)為15.52、23.28等階次如圖中藍(lán)色線所示。

由于車內(nèi)隔音阻尼作用，高階次噪聲削弱嚴(yán)重，Smart for two電動汽車車內(nèi)噪聲如上圖所示， 車內(nèi)表現(xiàn)比較嚴(yán)重只有電機(jī)的36階與齒輪的21階。

(2)?案例二

Nissan Leaf這款車采用極槽配合為8/48的永磁同步電機(jī)，其主要振型為0階與8階。0階模態(tài)與8階模態(tài)頻率分別約為6.8kHz與10.2kHz，其振動噪聲頻譜圖如下圖所示。齒輪嚙合產(chǎn)生的噪聲階次，在此不再重述。電機(jī)控制器開關(guān)頻率與電機(jī)工作電流作用產(chǎn)生的電磁力波與上面分析相同，只不過，此處采用變開關(guān)頻率，分別采用了5k與10k的開關(guān)頻率。a、b兩處由0階模態(tài)共振引起，據(jù)分析，a 處可能激勵起端蓋的0階模態(tài)，b處有兩種可能的解釋，其一，可能由激勵與軸向0階模態(tài)作用引起，其二，是殼體（冷卻水套）產(chǎn)生了額外的0階相關(guān)的模態(tài)頻率。c、d兩處由0階扭轉(zhuǎn)共振引起。由此可以得出0階模態(tài)在驅(qū)動電機(jī)振動噪聲起著關(guān)鍵的作用。

四、結(jié)束語

從上述案例分析可知，在當(dāng)今電動汽車永磁驅(qū)動電機(jī)中，呼吸模態(tài)很容易引起振動噪聲問題，需要工程師提起足夠的重視。