纯电动车驱动电机加速噪声分析及优化.pdf

Vol 43 No.5Oct.2023噪声与振动控制NOISEANDVIBRATIONCONTROL第43卷 第5期2023年10月文章编号：1006-1355(2023)05-0203-06纯电动车驱动电机加速噪声分析及优化罗德洋1，张吉健2，常光宝1,3（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司 技术中心，广西 柳州 545007；2.武汉融声奇科技有限公司，武汉 430014；3.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240）摘 要：为研究纯电动车的电机电磁振动噪声问题，采用试验与仿真相结合的方法，对某款电机进行加速振动与噪声测试，通过诊断分析确定其主要噪声阶次为48阶，主要问题转速点为4 300 r/min、6 500 r/min和9 800 r/min，随后采用仿真手段对电机加速过程的电磁噪声进行电磁-振动-噪声的多物理场耦合分析，对比仿真与测试结果发现两者吻合较好，说明该仿真方法具有较高的精度。随后进行电磁噪声源及结构板块贡献量分析，发现转速点4 300 r/min和6 500 r/min的噪声主要由转矩脉动产生，而9 800 r/min的噪声由径向电磁力产生，主要声辐射部位为出线盒和控制器盖板，进而通过优化电机转子外圆开槽尺寸和结构刚度来降低电磁噪声，仿真及试验结果验证了优化后电磁噪声已明显降低。关键词：声学；加速噪声；电磁噪声；多物理场；电磁优化；结构优化中图分类号：TM301.4+3文献标志码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2023.05.031Analysis and Optimization ofAcceleration Noise of DrivingMotors of Pure Electric VehiclesLUO Deyang1,ZHANG Jijian2,CHANG Guangbao1,3(1.Technique Department Center of SAIC GM WulingAutomobile Co.,Ltd.,Liuzhou 545007,Guangxi,China;2.Wuhan Rongshengqi Technology Co.,Ltd.,Wuhan 430014 China;3.School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China）Abstract:In order to study the electromagnetic vibration and noise of pure electric vehicles,the acceleration vibrationand noise of a certain motor are tested and simulated.Through diagnosis and analysis,it is determined that the main noiseorder is 48th and the main problem speeds are 4 300 r/min,6 500 r/min and 9 800 r/min.Then the multi-physical-fieldcoupling analysis of electromagnetic vibration noise in the acceleration process of the motor is carried out by means ofsimulation.Comparing the simulation and test results mutually,it is found that they are in a good agreement,indicating thatthe simulation method has high accuracy.Then,the contributions of the electromagnetic noise source and the structuralplates are analyzed.The noise at the speeds of 4 300 r/min and 6 500 r/min is mainly caused by torque ripple,while at thespeed of 9 800 r/min it is caused by radial electromagnetic force.The main sound radiation parts are the cover plate ofcontroller and outlet box.Furthermore,the electromagnetic noise is reduced by optimizing the outer circle slotting size of themotor rotor and structural stiffness of the main radiation parts.The simulation and experimental verification show that theelectromagnetic noise of the motor after the structural optimization is significantly reduced.Key words:acoustics;acceleration noise;electromagnetic noise;multi-physical-field;electromagnetic optimization;structural optimization收稿日期：20220406作者简介：罗德洋（1989），男，湖南省邵阳市人，硕士，工程师，专业方向为汽车NVH性能开发。E-mail:D通信作者：张吉健（1984），男，武汉市人，硕士，高级工程师，专业方向为电机NVH分析及优化。E-mail:zhangjjrsq-目前新能源车尤其是纯电动车行业的竞争日益激烈，作为纯电动车的主驱系统电机行业的竞争也越来越白热化，以电机最高转速为例，其由原来的1 2 000 r/min被提升到20 000 r/min，甚至更高的转速，由高转速所引起电机的电磁噪声问题也相应越来越复杂，提出的挑战也将越来越多，由于对于车用驱动电机一般关注其全转速段的噪声问题，因此，需第43卷噪声与振动控制要对电机加速过程的噪声进行研究。近年来，国内外对永磁电机电磁噪声做了大量的研究，主要研究方法有解析法、试验法和有限元法1。岳东鹏等24主要采用试验手段对电机电磁噪声进行了研究，并进行电机降噪分析并提出优化措施。贺岩松等58主要从仿真角度对电动汽车永磁同步电机在定转速下的电磁振动及噪声水平进行分析，并对仿真结果进行了相关的实验验证。Zou等911从电机电磁优化角度进行了电机噪声分析及优化。以上研究主要是在定转速条件下对电机噪声问题进行分析，而对电机加速噪声的研究较少，尤其是通过试验与仿真相结合手段对电机加速噪声的研究更少。本文将以某款存在电磁噪声而遭到抱怨的电动汽车驱动电机为例，通过在台架上测试电机加速噪声获得其问题阶次及问题转速点，随后针对电机建立基于阶次力加载的多物理场(电磁、振动、声学)耦合的仿真模型，获得加速过程的主要电磁阶次噪声，并与实测结果进行对比分析，在此基础上进行噪声源贡献量和板块贡献量分析，诊断主要的激励源和噪声辐射部位，进而进行电磁激励力和结构刚度优化分析，最后制作样机进行试验验证其降噪效果。1电机加速噪声测试及分析某款以永磁同步电机（8极48槽）为驱动电机的纯电动车主观评价抱怨噪声较大，然后经全油门加速工况测试发现48阶电机电磁噪声较为突出，应为导致汽车噪声抱怨的主要原因。随后用电机进行了该电动车台架噪声测试，测试其在加速过程中的电磁噪声。测点布置如图1所示，即在电机壳体及控制器盖板中心位置处分别布置1个三向加速度传感器，同时在垂直方向距离加速度传感器位置10 cm处分别布置1个麦克风，测量电机在峰值扭矩负载下的振动和噪声。测试工况为电机从零加速至最高转速12 500r/min，对测试数据进行分析和诊断，提取电机壳体水平方向测点加速噪声的瀑布图，如图2所示。图 1 电机振动与噪声测点布置示意图图 2 电机加速噪声瀑布图从图2可以看出，在全转速段，电机主要噪声阶次为 48 阶，在电机加速过程中，当转速到达 4 000r/min5 000 r/min和6 000 r/min7 000 r/min时，48阶噪声较为突出。对所提取阶次切片进行进一步分析，得出48阶噪声主要问题转速点为4 300 r/min、6 500 r/min和9 800 r/min。后续可以采用仿真手段深入分析这些问题转速点的噪声产生机理。2加速噪声的多物理场仿真分析2.1 仿真分析流程电机加速过程的电磁噪声仿真分析流程如图3所示，对该流程解释如下：（1）采用电磁有限元软件建立电机多转速的电磁瞬态分析模型以模拟电机加速过程，输出电机在图 3 电机电磁加速噪声分析及优化流程204第5期各个转速下的气隙磁密结果，利用麦克斯韦应力张量法计算获得电机在各转速下的电磁力结果，然后通过编程对这些电磁力数据进行处理得到多转速下（加速过程）的阶次电磁力，并转化为结构软件可以识别的载荷数据格式；（2）利用结构有限元软件建立电机模态分析模型，经求解计算输出模态结果文件，将上述由电磁场计算得到的阶次电磁力载荷加载到结构的模态基上，并通过模态叠加法进行振动响应分析，输出电机结构的振动响应结果，包括振动加速度和位移等；（3）利用声学有限元软件建立电机声辐射分析模型，将由上述结构振动计算得到的振动响应结果映射到声学计算模型中作为声学激励源，并进行声学响应计算，获得电机在阶次电磁力载荷作用下的声辐射结果；（4）进行噪声贡献量分析，分别对激励源（电磁）和传播途径（结构）进行分析并给出优化方案，然后进行噪声仿真验证分析。2.2 多物理场耦合的加速噪声分析2.2.1 电磁场及电磁力仿真分析分析对象为某永磁同步电机，具体尺寸参数如表1所示，根据电机尺寸参数，在电磁计算软件中建立电磁仿真模型。根据磁场的周期性，采用1/8模型进行计算，如图4所示。从电磁和振动声学计算的角度，难以直接对电机加速过程进行仿真。为此，一般把电机的加速过程离散成等间距的若干个稳态转速点，然后通过计算各个稳态转速点的电磁结果，再通过数据处理获得整个转速段的阶次力信息，也即加速过程的阶次电磁力。为了计算电磁阶次力，在气隙中沿周向设置一定数量的监测点，以提取气隙中的磁密结果，以便根据这些不同气隙空间角度的监测结果描述由电机设计参数（极数、槽数等）所决定的电磁力波分布。在完成所有电磁计算工况后，依次导出每个工况的气表 1 永磁同步电机主要参数参数峰值功率/kW峰值电流/A峰值转速/(rmin-1)绕组匝数槽数参数值4220012 500848参数定子外径/mm转子外径/mm轴向长度/mm并联支路数极对数参数值14544.410544图 4 电机电磁1/8计算模型隙圆弧线的径向和切向磁密数据，应用麦克斯韦张量法可以得到气隙中径向和切向电磁力的分布，进而经过数据处理可以得到全转速区间的阶次电磁力。在分析电机噪声激励源时，除了需要考虑电机的径向电磁力外，其切向电磁力（转矩脉动）所引起的噪声往往也不可忽略。在某些低速工况点，转矩脉动激励更容易激发结构的局部模态而产生结构共振，从而对外辐射较强的噪声。因此，除了提取阶次径向力外，还需要对全转速区间的转矩脉动激励进行数据处理及分析。其中提取的48阶径向电磁力和转矩脉动曲线图如图5所示。由图 5 可以看出，48 阶径向电磁力在 7 500r/min 以下较为平坦，在7 500 r/min以上急剧上升，因此，高速段的径向力容易激发电机呼吸模态共振，需要对该高速段的径向力进行优化。48阶转矩在5 000 r/min为0.48 Nm，在5 000 r/min9 000 r/min转速区间明显增大，随后继续下降至0.4 Nm左右，根据前文分析，48阶转矩脉动可能对中低速段的噪(a)48阶径向电磁力曲线(b)48阶转矩曲线图 5 电磁激励力曲线纯电动车驱动电机加速噪声分析及优化205第43卷噪声与振动控制声影响较大，后期还需要优化该转矩脉动值。2.2.2 振动仿真分析电机气隙的电磁力波作用在电机定子上，使其产生振动。建立电机结构有限元模型，将前面计算输出的48阶电磁力加载到电机定子齿面上，进行振动响应分析得到其工作变形如图6所示。图 6 工作变形图（4 300 r/min）由图6可以看出，在噪声峰值转速点4 300 r/min处，电机工作变形表现为电机出线盒盖板的2阶弯曲振动，该转速点的噪声应该主要由电机出线盒导致。2.2.3 噪声仿真分析电机结构在48阶电磁力作用下产生振动而对外辐射噪声，建立电机声辐射有限元模型，将通过前面计算所得的结构振动响应结果映射到相应的声学计算模型上作为声辐射的激励，在距离电机壳体10cm处设置虚拟麦克风监测点，随后进行声辐射计算并提取监测点的噪声计算结果，将通过仿真分析得到的48阶噪声与实测结果进行对比，如图7所示。图 7 仿真与测试结果对比可以看出，仿真与实测结果一致性较好，且在主要关注转速点的噪声峰值都有所体现，考虑到实测数据具有较大的不一致性，以及测试环境影响，可认为仿真结果满足工程的计算误差要求，可接受。3优化及验证分析3.1 噪声源及板块贡献量分析3.1.1 噪声源贡献量分析为了得到电机在不同转速点的噪声源贡献量，以确定电磁力的具体优化方向，需要分析径向力、切向力对整个转速区间的噪声贡献量。分别将48阶径向力、切向力（转矩脉动）以及两者合力加载到结构模型上，并进行振动与辐射声功率的计算，得到电机结构在全转速区间下的辐射声功率对比结果如图8所示。图 8 噪声源贡献量分析从图8中可以看出，在8 000 r/min以下，结构辐射的声功率主要以切向电磁力作用为主；在8 000r/min以上，结构辐射的声功率主要以径向电磁力作用为主，仿真结果表明问题转速点 4 300 r/min 和6 500 r/min下的噪声由48阶转矩脉动引起，而9 800r/min的噪声由径向电磁力引起。因此，后续优化工作中以降低相应转速点的转矩脉动和径向电磁力作为电磁激励源的重点优化方向。3.1.2 板块贡献量分析为了找到电机噪声的辐射部位，以便确定电机结构的优化方向，需要分析电机各板件对问题点的噪声贡献量，这里对电机壳体和部件进行分块处理并通过仿真得到各板块在整个转速区间的噪声贡献量（各部件辐射声功率与所有板件辐射总声功率之比），如图9所示。从图9中可以看出，在7 100 r/min以下，红色面板即控制器盖板辐射的噪声贡献量较大；在7 100r/min以上，粉色面板即电机壳体辐射的噪声贡献量较大；在关注的问题转速点 4 300 r/min 和 6 500r/min，出线盒和控制器盖板辐射的噪声贡献量较大，因此，后续重点是对它们进行结构刚度优化以降低噪声。206第5期图 9 板块贡献量图3.2 电磁方案优化分析为了对电磁激励力进行优化，将以影响电磁噪声与输出性能的径向电磁力与电磁转矩为优化目标11。由于电磁模型采用二维有限元模型，计算量小，非常方便采用多目标遗传优化算法来对电磁力进行优化。选用最为容易实现的优化变量，即在转子外圆开凹槽，并将其定义为参数化模型，其开槽尺寸参数化定义如图10所示，优化目标为48阶转矩和径向电磁力，优化工况设置为 4 300 r/min、6 500r/min和9 800 r/min，通过优化计算筛选出电磁力较低的电磁方案，同时进行电磁计算获得该优化方案全转速段的48阶转矩和径向力，与原方案结果对比如图11所示。图 10 电磁优化变量参数化示意图(a)优化前后48阶转矩对比(b)优化前后48阶径向力对比图 11 优化前后48阶电磁力对比由图11可以看出，在全转速区间，48阶转矩激励降低明显，在12 000 r/min以上，转矩微幅增加，但它对噪声影响很小。而对于48阶径向电磁力而言，在5 000 r/min以下，径向力有一定程度增大，但是它对该转速段的噪声影响很小，在5 000 r/min以上，径向力大幅降低，它将明显降低该转速段的噪声。为了验证电磁优化方案的噪声降低水平，进而对其进行振动噪声验证计算，得到其优化前后的辐射声功率结果对比如图12所示。在全转速区间，48阶辐射声功率在问题转速点4 300 r/min、6 500 r/min和9 800 r/min处分别降低约5.8 dB(A)、3.4 dB(A)和2.9 dB(A)，其噪声降低效果较为明显。3.3 结构优化分析通过前文板块贡献量分析可知，噪声辐射贡献图 12 电磁优化前后48阶辐射声功率对比量较大的主要部位为出线盒和控制器盖板，对结构进行如下刚度修改：填平出线盒端盖内侧凹槽，加大结构刚度；控制器盖板与底部中心加梁连接，增加盖板刚度。纯电动车驱动电机加速噪声分析及优化207第43卷噪声与振动控制进而对该结构优化方案进行噪声验证计算，得到其优化前后的辐射声功率结果对比如图13所示。图 13 结构优化前后48阶辐射声功率对比由于结构刚度增大，结构模态频率产生了一定的偏移，48 阶辐射声功率在问题点 4 300 r/min 和6 500 r/min处均有较大的改善，但是降低高频段的噪声效果有限。3.4 优化效果验证为了对以上分析优化结果进行试验验证，根据电磁和结构的综合优化方案制作了电机样机，验证其在加速过程中对于48阶噪声的优化效果，其优化前后的噪声测试结果对比如图14所示。图 14 优化前后48阶噪声测试结果对比由图14可以看出，优化方案使电机48阶噪声受到明显抑制，在问题转速点4 300 r/min、6 500 r/min和9 800 r/min处分别降低约15 dB(A)、5 dB(A)和8dB(A)，进一步验证了仿真分析及优化方法的可行性和较高精度。4结 语（1）本文通过分析电机加速过程中的噪声测试结果确定其主要噪声阶次为48阶，随后建立了电机电磁-结构-声学的多物理场耦合仿真模型，并获得加速过程的48阶电磁噪声频响曲线，与测试结果对比，两者结果吻合较好，说明该仿真方法具有较高的精度。（2）通过噪声源贡献量分析，定位出该电机转速点4 300 r/min和6 500 r/min的噪声由48阶转矩脉动产生，而9 800 r/min的噪声由48阶径向力产生，通过对转子结构外圆开槽进行多目标优化，获得了使转矩脉动和径向力较低的电磁方案，经仿真验证其具有较好的降噪效果。（3）通过板块贡献量分析，发现48阶噪声的主要辐射部位为出线盒和控制器盖板，通过修改该结构刚度，48阶噪声也得到了有效控制。（4）本文采用试验与仿真相结合手段进行分析，提供了纯电动车用电机加速噪声问题的分析思路和方法，可为类似问题分析提供参考。参考文献：1GIERAS J F,WANG C,LAI J C.Noise of polyphaseelectric motorsM.Boca Raton,FL:CRC/Taylor andFrancis,2006.2 岳东鹏，夏洪兵，高辉，等.电动汽车驱动电机电磁噪声的仿真分析J.噪声与振动控制，2018，35(S1)：175-180.3 刘小华，莫崇卫，蒋帅，等.某纯电动汽车驱动电机噪声分析与优化J.噪声与振动控制，2019，39(5)：68-72+95.4ZOU J,LAN H,XU Y,et al.Analysis of global and localforceharmonicsandtheireffectsonvibrationinpermanentmagnetsynchronousmachinesJ.IEEETransaction on Energy Conversion,2017,32(4):1523-1530.5 贺岩松，张全周，赵 勤，等.某型车用发电机电磁噪声的数值仿真J.汽车工程，2017，39(10)：1198-1202.6 郑江，代颖，石坚.车用永磁同步电机的电磁噪声特性J电工技术学报，2016，31(S1)：53-59.7 李晓华，黄苏融，李良梓.电动汽车用永磁同步电机振动噪声的计算与分析J.电机与控制学报，2013，17(8)：37-428 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