新能源汽车驱动电机NVH性能改进策略研究

新能源汽车驱动电机振动噪声产生机理:新能源汽车永磁同步电机的振动主要有电磁振动和机械振动两种形式。电磁振动主要是电机内部电磁力，尤其是电磁转矩脉动和电磁力波动等造成的。对于电磁振动，在驱动电机运行时，其转子和定子之间存在复杂的电磁相互作用，受交变磁场的  非均匀分布，以及电机设计不平衡、电流不对称等多种因素的影响，驱动电机会产生较为显著的振动及噪声现象。机械振动通常是由于电机轴承、齿轮箱、转子不平衡等因素引起，同样会带来不同程度的噪声现象，尤其是在电机与齿轮箱连接存在刚性或对中问题时，更易导致传动过程中驱动电机的振动加剧。同时，部分驱动电机在运行时，还会产生电机控制器噪声、电池冷却噪声等，对驾乘体验和安全性造成不利影响。

振动噪声对整车NVH性能的影响:在新能源汽车NVH性能控制和改进过程中，需要重点关注动力系统中驱动电机的影响，尤其是在车辆行驶状态下，应避免驱动电机振动及噪声等现象对整车NVH性能产生影响。新能源汽车与传统燃油汽车在驱动方式上有差异，前者的振动噪声主要是来自驱动电机的高频振动。新能源汽车以电机支架和车身底盘为动力传递路径，导致车内某些部件随之振动。同时，驱动电机自身也会由于电磁、轴承及齿轮部件运行，出现噪声现象并传播至车内空间。这些噪声通常表现为嗡嗡声或啸叫声，在与外界道路噪声、风噪等混合后，对驾乘舒适感产生显著影响。此外，振动噪声的产生还会对驾驶体验产生严重干扰，使得驾驶员无法 正确感知方向盘、座椅和脚踏板的位置信息，影响正确判断和反应，进而出现错误操作行为，对驾驶安全性产生负面影响。

基本参数:某插电混动版SUV车型采用前置永磁同步电机方案，其电机基本参数如表1所示。

表 1 驱动电机基本参数

   

电磁激励分析:从驱动电机电磁激励产生原理出发，本文采用有限元分析方法，建立电机三维电磁场模型，计算磁密分布，以及定子齿部和气隙中的径向与切向电磁力密度。电磁力F计算公式：

式(1)中，B_r为径向磁密分量，B_t为切向磁密分量，μ₀为真空磁导率。将电磁力分解为时空谐波，分析各阶次谐波的幅值和频率，重点关注与电机结构固有频率接近的谐波。有限元仿真结果显示，该驱动电机电磁力主要集中于定子齿尖区域，幅值最大为1.2kN/m²；主要谐波阶次为48000±8(由48槽数和8级数结构决定)，频率集中在400～2000Hz。

齿槽转矩分析:驱动电机齿槽转矩由转子永磁体与定子齿槽之间的磁阻变化引起，其周期性波动会导致转矩脉动和振动，磁能对转子位置的导数计算公式：

式(2)中，W为磁能，θ为转子机械角度， 为磁能 W 对转子机械角度θ的偏导数，表示磁能随转子位置的变化率。利用傅里叶级数展开齿槽转矩，计算其基波和谐波分量，计算结果显示齿槽转矩基波频率f_cog为280Hz。利用有限元法进行瞬态磁场仿真，提取不同转子位置下的转矩值，计算结果显示，转矩峰峰值ΔT_cog为2.5N·m，占额定转矩的3%。

转矩脉动分析:转矩脉动由电流谐波、磁链谐波及齿槽效应共同作用产生，表达式 ：

式(3)中，p为极对数，Ψ_d、Ψ_q分别为直轴和交轴磁链，i_d、i_q分别为直轴和交轴电流。利用电流谐波注入法优化电流波形，抑制(6000±1)次谐波。通过斜槽或分段刺 激设计，进行磁链谐波补偿。结果显示，转矩脉动峰值为4.8N·m，主要由5次和7次电流谐波贡献，在注入谐波后，脉动降至1.2N·m。

影响分析:由上述分析可以看出，驱动电机在运行中存在高频振动现象，尤其是定子齿尖区域，能够产生频率介于400～2000Hz的高频电磁力，激励定子铁芯和壳体振动，同时有高频嗡嗡声或啸叫声出现，该现象在电机高转速状态下更为显著。在上述激励作用下，副车架或悬架系统极有可能引发共振，仪表盘和车门饰板可能出现异响现象。齿槽转矩基波频率为280Hz，转矩峰峰值为2.5N·m，占额定转矩的3%。这种周期性转矩波动会导致电机输出轴产生低频扭振现象，在车辆加速或匀速行驶时，可能会引发传动系统抖动和车内部分位置明显振感，被驾驶员感知为“顿挫感”，影响驾驶舒适性。转矩脉动会导致电机输出转矩周期性波动，再通过齿轮啮合传递至减速器，由此引发齿轮箱的齿频振动，产生尖锐噪声。

优化结构设计:在驱动电机运行中，转子如果不平衡，必然会导致额外振动和噪声产生，因此有必要解决转子的高精度动平衡问题。在制造工艺中，采用激光切割和数控加工技术，能够有效提升转子铁芯和导线加工精度，结合自动化平衡测试设备，实现更为精准的动平衡调整。在生产结束后，利用高速动平衡测试，淘汰不符合动平衡等级的产品，以确保驱动电机在运行中能够实现振动最小化。在转子设计中，还可以使用阻尼套或增加阻尼量等方式，优化减振材料或结构，吸收由于不平衡产生的振动能量。在定子和壳体的结构设计中，利用斜槽设计，分散电磁力引起的振动，可有效减少噪声产生。将壳体设计为有效吸收或隔离振动的形式，在关键部位设计减振支撑，在增强壳体刚度的同时，能够有效隔断振动传递路径，达到优化驱动电机NVH性能的目的。驱动电机的结构优化可以通过有限元分析等方法进行验证，以有效提升设计效率。

优化材料选择:在新能源汽车产业快速发展背景下，优化材料选择成为改进新能源汽车驱动电机NVH性能的重要方式。电磁转矩脉动和电磁力波动对驱动电机NVH性能影响最为显著，而这两方面因素都受驱动电机所选用磁材料的影响，因此在设计中，选用高性能的软磁合金或先进的非晶态、纳米晶态磁材料，能够利用其所具有的高磁导率和低磁滞损失，提供更平滑的扭矩输出，减少由于磁力引起的振动和磁噪声。高阻尼材料在驱动电机结构中的合理应用，是优化电机NVH性能的重要方式。以某新能源汽车为例，采用约束阻尼复合材料控制器上盖板，形成“金属基板+阻尼层+约束层”，可有效提升结构整体阻尼性能，使得1200Hz内共振带消失，中低频段振动能量显著衰减。在未来发展中，高阻尼与轻质复合材料的结合将成为驱动电机材料优化的重要方向。

应用主动减振降噪技术:主动减振降噪技术在新能源汽车驱动电机NVH性能优化中具有良好的应用成效，以主动减振技术为例，该技术基于对电机及其组件振动状态的实时监控，通过控制系统实施动态反馈或前馈控制策略，抵消振动源激发的振动噪声。在驱动电机设计中，在支架或安装底座位置，可集成电磁或压电制动器等主动减振单元，根据所采集的数据，产生相位相反的力，以抵消振动。主动减振控制系统还能够通过实时调整驱动电机运行参数，减少电磁力不平衡或转速波动等引起的振动，有效提升驱动电机NVH性能。主动噪声控制技术则是通过嵌入式麦克风实时监测电机和车辆内部噪声环境，并利用扬声器产生相位相反的声波，有效抵消噪声，提升车辆驾乘舒适度。在当前的新能源汽车设计中，主动减振降噪技术也已经得到广泛应用，对改进整车NVH性能起良好促进作用。

评价方案:参照相关规范标准并结合设计目标，针对本文驱动电机NVH性能存在的问题，采用台架试验和实车路试相结合的方式进行测试，采集改进策略实施前后的振动、噪声及转矩等数据，利用快速傅里叶变换算法分析振动和噪声频率分布，对共振频率偏移进行验证。将评价指标设定为振动幅值、噪声水平、转矩脉动峰峰值、齿槽转矩峰峰值、关键部件共振频率偏移量，对优化方式进行效果验证。

测试结果:利用上述评价方式，对相关指标数据进行分析，本文的驱动电机NVH性能参数改进效果如表2所示。基于参数对比结果可以看出，斜槽设计能够显著分散电磁力谐波，降低定子振动幅值，同时有效提升转子动平衡等级。应用纳米晶和约束阻尼材料，能够有效降低铁芯铁损，减弱振动传递。优化主动控制系统响应时间，也能有效降低车内噪声水平。由此可见，系统性改进可有效提升新能源汽车驱动电机NVH整体性能。

表 2 参数改进效果

   

新能源汽车驱动电机NVH性能改进策略在驱动电机NVH性能改善方面具有良好的应用成效。未来，随着新能源汽车行业竞争日益激烈，汽车制造企业必须更加重视驱动电机NVH性能的优化，采取系统性的优化策略，减少驱动电机振动噪声对整车NVH性能的影响，有效提升新能源汽车产品市场竞争力。