某款電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機噪聲分析

　　姚學(xué)松，陶文勇（奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽?蕪湖?241002）

　　摘?要：通過對某款電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機的噪聲進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其存在48階次噪聲大的問題。為了削弱電機的48階次噪聲，本文提出了4種優(yōu)化方案，通過對4種優(yōu)化方案分別進(jìn)行驗證和測試，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化和轉(zhuǎn)子鐵心外圓增加輔助溝槽2個方案對電機48階次噪聲有較大的改善。最終實施上述2個方案，原車尖銳、刺耳的電磁聲及嘯叫聲明顯削弱，提升了整車的駕駛舒適性。

　　關(guān)鍵詞：電動汽車；永磁同步電機；噪聲；磁鋼；轉(zhuǎn)子鐵心

　　0 引言

　　永磁同步電機所具有的高效率、高功率密度等特性使其廣泛應(yīng)用于純電動汽車的驅(qū)動電機。對純電動汽車而言，驅(qū)動電機作為整車的動力總成部分，其所產(chǎn)生的噪聲也是整車的主要噪聲來源。噪聲作為電機的主要質(zhì)量指標(biāo)之一 ^[1] ，其水平也決定了整車的駕駛舒適性。因此，電機噪聲的控制也成為了當(dāng)前電機性能優(yōu)化的重要課題。

　　本文基于某款純電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機的噪聲分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電機轉(zhuǎn)速運行在（1 500 ~6 000）r/min時，其48階次噪聲明顯。因電機的總體磁路結(jié)構(gòu)重新設(shè)計的成本高、周期長，本文在不改變電機主要磁路結(jié)構(gòu)的前提下，通過對電機轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化、轉(zhuǎn)子鐵心增加溝槽、電機定子繞組樹脂澆注、電機殼體強度提升等措施的對比分析，來評估各措施對電機噪聲的貢獻(xiàn)，通過測試結(jié)果表明，上述方案對電機噪聲有一定的改善，具有實際應(yīng)用價值，為電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機噪聲的優(yōu)化提供了相關(guān)的依據(jù)和經(jīng)驗。

　　1 純電動汽車驅(qū)動電機噪聲分析

　　如圖1所示，根據(jù)整車噪聲測試數(shù)據(jù)，結(jié)合驅(qū)動電機所采用的48槽設(shè)計方案，可判斷其中48階次噪聲主要來源于驅(qū)動電機，此時的電機轉(zhuǎn)速在（1 500~6 000）r·min ^-1 ，對應(yīng)整車的車速在（25~75）km/h。此時整車主要表現(xiàn)為嘯叫聲明顯，電機電磁噪聲尖銳、刺耳 ^[2] ，而在汽車的日常行駛中又主要集中在此車速段，因此優(yōu)化此轉(zhuǎn)速段的電機噪聲對整車的駕駛感受具有較大的提升。

　　2 驅(qū)動電機噪聲優(yōu)化分析

　　考慮到該款驅(qū)動電機已進(jìn)入到批量生產(chǎn)階段，對電機的磁路結(jié)構(gòu)、電磁方案等進(jìn)行重新設(shè)計的費用高、周期長，本文僅通過對電機定、轉(zhuǎn)子、殼體等局部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計、工藝改進(jìn)來改善電機噪聲。

　　2.1 轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　電機的電磁噪聲主要是由電機內(nèi)部各種頻率的諧波引起，而通過轉(zhuǎn)子斜槽或定子斜極來削弱齒諧波是電機生產(chǎn)制造過程中降低電磁噪聲的一種常用方法 ^[3] 。

　　如圖2所示，左側(cè)為原驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，磁鋼采用兩段式斜槽結(jié)構(gòu)布置，右側(cè)為優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，磁鋼采用四段式交叉布置。優(yōu)化前后的噪聲測試結(jié)果如圖3所示，電機運行工況：轉(zhuǎn)速（1 500~6 000）r/min ¹ ，額定轉(zhuǎn)速前峰值扭矩250 N·m，額定轉(zhuǎn)速后峰值功率95 kW。優(yōu)化后的方案其48階次噪聲在（2 200 ~5300）r/min ¹ 轉(zhuǎn)速段及6 000 r/min ¹ 附近改善效果較明顯，噪聲降低約（5~15）dB，全轉(zhuǎn)速段的噪聲總值優(yōu)化后方案也低于優(yōu)化前。

　　2.3 轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　電機運行時的轉(zhuǎn)矩脈動同樣會引起電機的噪聲和振動，因此削弱轉(zhuǎn)矩脈動也是優(yōu)化電機噪聲的方案之一。齒槽轉(zhuǎn)矩是電機帶載運行時轉(zhuǎn)矩脈動的主要來源之一，但除齒槽轉(zhuǎn)矩外，通過對轉(zhuǎn)子鐵心外圓增加輔助溝槽同樣能削弱電機的轉(zhuǎn)矩脈動 ^[4] 。

　　如圖4所示，在轉(zhuǎn)子鐵心外圓相鄰的兩組磁鋼之間增加一組弧形的輔助槽。優(yōu)化前后的噪聲測試數(shù)據(jù)如圖5所示，電機運行工況同2.1。轉(zhuǎn)子外圓增加輔助溝槽后，48階次噪聲在全轉(zhuǎn)速段降低約（5~15）dB，噪聲總值也改善明顯。

　　2.3 定子繞組樹脂澆注

　　電機的噪聲除電磁噪聲外還包含機械振動所引起的噪聲。電機的定子鐵心一般由硅鋼片疊壓而 成，疊片之間存在間隙；定子繞組主要由多根松散的漆包線組成，并嵌入到定子槽內(nèi)，漆包線之間也存在間隙，同時因電機槽滿率及生產(chǎn)工藝的限制，繞組與定子槽之間也存在較大的間隙。這就導(dǎo)致定子的結(jié)構(gòu)松散，易產(chǎn)生振動噪聲。

　　本文通過對電機定子繞組進(jìn)行整體環(huán)氧樹脂澆注，提高電機定子的結(jié)構(gòu)強度，提升定子的固有頻率，降低電機因定子機械振動所產(chǎn)生的噪聲。如圖6所示，為環(huán)氧樹脂澆注后的電機定子，整個繞組的端部及定子槽內(nèi)均被環(huán)氧樹脂填充。澆注前后的噪聲測試結(jié)果如圖7所示，電機運行工況同2.1。定子繞組澆注后其48階次噪聲在（1 500~2200）r/min及2 700~6000）r/min轉(zhuǎn)速段噪聲降低約5 dB，全轉(zhuǎn)速段的噪聲總值也略有降低。

　　2.4 電機殼體增加加強筋

　　電機的機械振動噪聲除了定子的振動引起外，還包含電機的外殼體振動所產(chǎn)生的噪聲。該款電機作為電動汽車驅(qū)動電機，其輸出端需要匹配減速器設(shè)計法蘭安裝面，為了提升法蘭側(cè)的結(jié)構(gòu)強度，降低振動噪聲，本文對法蘭處增加加強筋，如圖8所示。

　　電機外殼體增加加強筋后，噪聲測試數(shù)據(jù)見圖9，電機運行工況同2.1。改后的電機在3 000 r/min ¹ 附近及4 600 r/min ¹ 之后噪聲有約（5~10）dB的降低，其它轉(zhuǎn)速段噪聲略有增加，噪聲總值基本無變化。

　　3 結(jié)果分析

　　通過對上述四種方案對比分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化、轉(zhuǎn)子鐵心外圓增加輔助溝槽對該款電機48階次噪聲及噪聲總值改善均較明顯；定子繞組環(huán)氧樹脂澆注對電機噪聲雖然有一定的改善，但改善效果不明顯；電機殼體增加加強筋方案對電機噪聲無明顯改善。

　　綜上，考慮到定子繞組環(huán)氧樹脂澆注需要投入專用設(shè)備，工藝復(fù)雜、費用高且效果不明顯，最終實施前兩種方案。將改進(jìn)后的電機搭載到整車上，測得的車內(nèi)噪聲階次彩圖如圖10所示，48階次噪聲明顯被削弱，車內(nèi)噪聲整體降低約5 dB，整車車速在（25~75）km/h時的嘯叫聲也改善明顯，提升了整車的駕駛舒適性。

　　4 結(jié)論

　　本文通過對某款純電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機的噪聲進(jìn)行分析，提出了四種降低電機48階次噪聲的優(yōu)化方案，并分別進(jìn)行了對比驗證和測試。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化和轉(zhuǎn)子鐵心外圓增加輔助溝槽對電機48階次噪聲有較大改善。最終改善后的電機搭載到整車上，原車尖銳、刺耳的電磁聲及嘯叫聲明顯削弱，提升了整車的駕駛舒適性。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 陳永校,諸自強,應(yīng)善成. 電機噪聲的分析和控制[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社, 1987.

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　　[3] 唐慶華,張林. 采用斜槽降低三相異步電動機電磁噪聲[J]. 防爆電機, 2015,50(1):14-20h.

　　[4] 賀小克,沈建新. 表面式永磁同步電機轉(zhuǎn)子輔助槽對轉(zhuǎn)矩的影響[J]. 微電機, 2018,(1):1-4.

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第12期第74頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。