纯电动车驱动电机加速噪声分析及优化

目前新能源车尤其是纯电动车行业的竞争越来激励，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，由原来的12000r/min提升到20000r/min，甚至更高的转速，相应的引起电机的电磁噪声问题也越来越复杂，面临的挑战也将越来越多，由于车用驱动电机一般关注全转速段的噪声问题，因此，实际上需要对电机加速过程的噪声进行研究。

本文将以某款存在电磁噪声抱怨的电动汽车驱动电机为例，通过在台架测试电机加速噪声获得其问题阶次及问题转速点，然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经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。随后对该电动车用电机进行了台架噪声测试，测试其在加速过程中的电磁噪声。即在距电机壳体电机轴中心线水平方向上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，同时在距离加速度传感器位置垂直方向10cm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12500r/min，对测试数据进行分析和诊断，这里提取电机壳体水平方向测点加速噪声的瀑布图如图1所示。

图1 电机加速噪声瀑布图

从图1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4000r/min～5000r/min和6000r/min～7000 r/min时，48阶噪声较为突出。经提取阶次切片进一步分析得出，48阶噪声主要问题转速点为4300r/min、6500r/min和9800r/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2所示，针对该流程解释如下：

（1）采用电磁有限元软件对电机建立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对电机建立模态分析模型，经求解计算输出模态结果文件，将上述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，并进行模态叠加的振动响应分析，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对电机建立声辐射分析模型，将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）通过对计算结果分析，分别从激励源（电磁）和传播途径（结构）上进行分析并给出优化方案，然后进行噪声仿真验证分析。

图2 电机电磁加速噪声分析及优化流程

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，根据电机尺寸参数，在电磁计算软件中建立电磁仿真模型。由于磁场的周期性，采用1/8模型进行计算，如图3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，再进行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。

图3 电机电磁1/8计算模型

为了计算电磁阶次力，通过在气隙中沿周向设置一定数量的监测点，以便提取气隙中的磁密结果，这些不同气隙空间角度的结果便于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，往往对于其切向电磁力（转矩脉动）所引起的噪声也不可忽略。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4所示。

(a) 48阶径向电磁力曲线

(b) 48阶转矩曲线

图4 电磁激励力曲线

由图4可以看出，48阶径向电磁力在7500r/min 以下较为平坦，在7500r/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5000r/min为0.48Nm，在5000r/min-9000r/min转速区间明显增大，随后继续下降至0.4Nm左右，根据前文分析，48阶转矩脉动可能对中低速段的噪声影响较大，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。对电机建立结构有限元模型，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5所示。

图5 工作变形图（4300r/min）

由图5可以看出，电机在噪声峰值转速点4300r/min处，其工作变形表现为电机出线盒盖板的二阶弯曲振动，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，通过将前面计算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，在电机轴线水平方向且距离电机壳体10cm处设置虚拟麦克风监测点，然后进行声辐射计算并提取监测点的噪声计算结果，这里将仿真分析得到的48阶噪声与实测结果进行对比如图6所示。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，另外也受测试环境影响，仿真结果可接受，满足工程的计算误差要求。

图6 仿真与测试结果对比

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

为了确定电机在不同转速点的噪声源贡献量问题，以便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7所示。

图7 噪声源贡献量分析

从图7中可以看出，在8000r/min以下，结构辐射的声功率主要以切向电磁力作用为主；在8000r/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4300r/min和6500r/min下的噪声由48阶转矩脉动引起，而9800r/min的噪声由径向电磁力引起。因此，后续优化工作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

为了确定电机噪声的辐射部位问题，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并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8所示。

图8 板块贡献量图

从图8中可以看出，在7100r/min以下，以红色面板即控制器盖板辐射的噪声贡献量较大；在7100r/min以上，以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4300r/min和6500r/min，主要以出线盒和控制器盖板辐射的噪声贡献量较大，因此，后续应该重点对它们进行结构刚度优化以降低噪声。

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。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。这里采取最为容易实现的优化变量即在转子外圆开凹槽，并定义为参数化模型，其开槽尺寸参数化定义如图9所示，优化目标为48阶转矩和径向电磁力，优化工况设置为4300r/min、6500r/min和9800r/min，经过优化计算并筛选出电磁力较低的电磁方案，同时对该优化方案进行电磁计算获得其全转速段的48阶转矩和径向力，与原方案结果对比如图10所示。

图9 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10 优化前后48阶电磁力对比

由图10可以看出，在全转速区间，48阶转矩激励降低明显，在12000r/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5000r/min以下，径向力有一定程度的增大，但是它对该转速段的噪声影响很小，在5000r/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11所示。在全转速区间，48阶辐射声功率在问题转速点4300r/min、6500r/min和9800r/min处分别降低约5.8dBA、3.4dBA和2.9dBA，其噪声降低效果较为明显。

图11 电磁优化前后48阶辐射声功率对比

3.3 结构优化分析

通过前文板块贡献量分析可知，噪声辐射贡献量较大的主要部位为出线盒和控制器盖板，对结构进行刚度修改如下：出线盒端盖内侧凹槽填平，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。

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12所示。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4300r/min和6500r/min处均有较大的改善，但是对高频段的噪声降低效果有限。

图12 结构优化前后48阶辐射声功率对比

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，这里针对电磁和结构的综合优化方案制作了电机样机，验证其加速过程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13所示：

图13 优化前后48阶噪声测试结果对比

由图13可以看出，优化方案对电机48阶噪声有明显改善，在问题转速点4300r/min、6500r/min和9800r/min处分别降低约15dBA、5dBA和8dBA，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）本文对电机加速过程的噪声测试结果分析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4300r/min和6500r/min的噪声由48阶转矩脉动产生，而9800r/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，获得了转矩脉动和径向力较低的电磁方案，经仿真验证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，提供了纯电动车用电机加速噪声问题的分析思路和方法，为类似问题分析提供了参考。

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