某新能源汽车后驱电机啸叫NVH优化
摘要：为进一步提高新能源汽车后驱电机 NVH（Noise 噪声、Vibration 振动、Harshness 声振粗糙度）性能，基于某款新能源后驱电桥产品在整车 NVH 主观评价啸叫明显，对啸叫产生原因进行了分析。通过分析电机啸叫原理并对从齿槽转矩方面分析降低 48 阶电机啸叫方案，利用 Ansys Maxwell 和 LMS Virtual Lab 软件对电机的电磁力以及声场进行仿真分析研究后，设计出通过更改电机转子斜级角度和形状的方案，降低定子与转子之间的齿槽转矩脉动，从而降低 48 阶的谐波幅值。最终将优化后的方案样件在整车上测试后，后驱电桥的电磁噪声降低了 5-15dB(A)，整车主观评价达到 8 分（7 分以上及格），本文分析对以后电机啸叫问题具有一定的工程指导价值。关键词：电动汽车，NVH 性能，齿槽转矩，斜级角度，斜级形状1. 引言
随着国家能源战略转型和各地城市限号政策的推出，新能源汽车越来越多的成为人们购买汽车的首选。由于新能源汽车没有发动机的噪声做背景掩蔽，其他零部件的声音就会更凸显出来。并且随着各汽车主机厂的技术水平不断提高，对 NVH 的要求也越来越高。新能源汽车最主要的噪声来自驱动电机和齿轮箱，特别是电机定转子旋转时产生的尖锐持续的啸叫声。通常解决电机啸叫噪声的方法有提高零部件结构刚度和增加声学包，希望在不更改主要结构的情况下从传递路径上降低噪声。但很多时候没有从激励源发现问题，导致优化效果有限。本文通过电磁激励仿真分析，声场仿真分析，样件整车测试反馈的闭环研究方式，主要通过分析电机啸叫激励源，确认啸叫产生根本原因，最终通过分析电机转子结构特点，确认电机转子不同斜级角度和斜级形状对齿槽转矩的影响，将优化后的样件装到整车进行主客观评价，最终彻底解决电机啸叫问题。2. 啸叫原因分析
我们在研发某款新能源汽车电驱总成发现，整车纯电动工况车速在 10-50km/h 时永磁同步电机啸叫明显，客观测试结果电机 48 阶噪声超过客户标准 10-15dB(A)，需要彻底解决此啸叫噪声。48 阶涉及的电磁噪声产生因素很多，比如定转子机械结构、转矩脉动、电磁激励、结构模态等。永磁电机结构存在齿槽转矩，这部分电磁力的切向分量会产生与电机齿槽数和极对数参数有关的阶次噪声，严重会导致电机的转速产生波动，电机无法平稳运行，所以目前永磁电机降低电磁噪声最有效的方法之一就是降低齿槽转矩脉动。述和推导，其中最常用的两个，一个是齿槽转矩谐波次数的计算公式： 其中，p 为电机转子极对数， Q为电机定子槽数； Nm极对数和槽数的最大公约数，此电桥产品采用的市 场比较常见的 8 极 48 槽绕组，所以当把电机参数带入 到公式中，由此计算出齿槽转矩会引起最大 48 阶阶次 噪声，与测试结果完全相符。 另外一个齿槽转矩计算的的通用经验公式如下：
其中，Ti 、 Qi分别是第 次齿槽转矩谐波的幅值和相位角， Np是电机转子级数和槽数的最小公倍数，θm是电机定子齿中心线和永磁体中心线的夹角， Ksk是斜槽因子；此电机转子原始设计是 6 叠“一”字型组成，这种设计会导致 6 叠电磁力的同时叠加，瞬时输出电磁力和齿槽转矩都是转子单叠的 6 倍，所以电磁噪声会突出明显.3. 电机啸叫优化方案
3.1 转子不同斜级形状对 48 阶电磁噪声的改善 国内外大量资料已经论证，将转子每叠倾斜一定机械角度是降低电机齿槽转矩非常有效的办法之一，当倾斜一定角度之后，可以保证电磁力总输出基本维持不变，对电磁转矩的基波造成比较小的影响。每段电磁力瞬时输出错开一定角度，会使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减小，进而降低电磁噪声。
将电机相关参数导入 Ansys Maxwell 软件中建立仿真模型，首先建立电机的二维仿真模型，可以得到电机某一转速的瞬时磁场分布和定子齿面所受电磁力，然后提取出不同频率下或者不同阶次的切向电磁力幅值。通过更改转子斜级角度相关参数，可以获得不同转子角度对应的 48 阶电磁激励幅值。我们分析了不同斜级角度对电机扭矩幅值和转矩波动的变化（图 2（a）），结果显示斜级角度 0.9°能最大限度的保证客户的峰值扭矩要求，斜级角度 1.6°的转矩脉动最低，所以我们分别选择了单段转子叠片倾斜 0.9°和 1.6°的方案。通过电磁激励仿真对比，1.6°方案的 48 阶切向电磁力最小（图 1（c））。
将不同的斜级角度的电磁力方案结果，以及壳体模态等相关信息导入到 LMS 软件中进行声场仿真分析，将声学仿真结果进行阶次提取，得到 48 阶电磁噪声仿真结果（图 2（b））。将不同斜级角度转子制作样件并搭载整车进行主观评价和客观数据测试。从台架仿真结果和测试结果可以得出，1.6°斜级角度确实对 48 阶噪声有比较明显的降低。
试验中我们发现，电机加速到 2000 转时 48 阶有明显峰值，比周边转速可以高出 5-10dB(A) 左右，对此现象我们从结构传递路径和电磁激励源两方面进行研究。结构传递路径方面，首先对电桥总成和关键零部件定转子结构进行模态仿真分析。由于总成和定转子结构复杂，非线性件较多，所以建模时根据实际情况对其进行适当，只保留主要的三维几何模型。48 阶 2000rpm对应的频率为 1600Hz，所以对此频率附近进行模态分析。仿真结果显示定子在 1750Hz 存在一阶扭转模态，模态试验显示总成在 1660Hz 也存在相同的扭转模态，会导致 48 阶电磁力在 2000rpm 时被此模态放大。电磁噪声分析主要关注电磁力瞬时分布和幅值变化，电磁仿真分析可以得到电机磁场以及电磁力分布。上面介绍了通过更改转子斜级角度可以降低一部分 48 阶电磁噪声，但是将转子倾斜一定角度后，对电磁力切向方向进行傅里叶转换提取 48 阶电磁力，并随机截取 48 阶电磁力周期内的 3 个时间 t1,t2,t3 进行转子分段分析，结果显示 48 阶在 3 个时刻都存在不平衡电磁力，也是就说 6 段叠片转子本身时刻都在输出 48 阶扭转电磁力，再加上传递过程中有扭转模态的加成，所以导致此电桥在加速到 2000rpm 时，48 阶噪声明显增大。结构模态方面可以通过提高定子和总成的刚度和降低质量来提升固有频率，但是通常改善效果有限。降低激励是从根绝解决问题的一个方法。更改转子每段叠片之间的位置关系，也是降低电磁噪声一个很好的方法。通常国内外比较常见分段转子形状为斜“一”字型、“V”字型、“Z”字型，由于设计要求和生产制造精度问题，“Z”字型转子结构很少应用在汽车量产项目上。所以我们针绿色新能源对“V”字型结构进行了和斜“一”字型相同的 48 阶电磁力进行不同时刻分析（图 3），结果显示 48 阶在 3 个时刻只存在平衡力或者上下的电磁力，没有扭转方面的力，所以可以有效抑制了电机的扭转振动。结合之前转子斜级角度对 48 阶噪声的分析，我们借用之前每段叠片 1.6°斜级角度方案，加工制造了“V”字型 1.6°的电驱样件，并和之前的原始“一”字样件和斜级 1.6°样件进行整车测试对比（图 4），试验结果显示“V”字型 1.6°在电机常用 5500rpm 下 48 阶噪声水平最低，特别是 2000rpm 由于没有了扭转电磁力的作用，使加速噪声线性度更加平缓。4. 结论
电机是新能源汽车关键动力总成零部件，其声音的变化会直接影响驾驶员的主观感受，本文通过在开发过程中实际遇到的电磁噪声问题，首先测试得出啸叫由电机 48 阶产生，其次分析 48 阶产生机理，目的是通过更改齿槽转矩来降低电磁噪声，然后根据电机转子叠片布局特点，优化转子斜级角度和斜级形状的措施，通过电磁力激励分析，电磁声场仿真，整车样件测试的完整闭环开发，有效降低了 48 阶电磁噪声。整车最终测试 48阶电磁噪声降低 5-15dB(A)，整车主观评价也得到了较大的改善。作者单位：舍弗勒贸易（上海）有限公司 上海 200000【免责声明】本文来自网络，版权归原作者所有，仅用于学习等，对文中观点判断均保持中立，若您认为文中来源标注与事实不符，若有涉及版权等请告知，将及时修订删除，谢谢大家的关注 
