电动车电磁噪声控制技术研究综述
摘要：电动车是新能源汽车中最具潜力的一种车型。针对电动车电动机所带来的噪声问题，介绍了国内外的电磁研究成果以及电动车电磁噪声的产生原因，对国内外电动车的NVH技术以及影响电动车噪声的因素进行分析。总结了目前在削弱电动机电磁噪声方面的 3 种技术方法，希望为进一步研究电动车在电磁噪声方面的控制技术提供一定的帮助。随着人们环保意识的不断增强，新能源汽车技术的发展越来越受到消费者和生产商的关注，而电动车是最具潜力的新能源汽车。电动车的动力来源仅依靠车载电池，同时动力传递总成较少，要具有高速行驶的能力，需要很大的电动机来增大扭矩。电动机在工作过程中会产生较高的电磁噪声和振动，不仅对环境造成污染，对驾驶员以及乘客的安全也非常不利。在此背景下，电动车的 NVH性能逐渐成为其研发过程中的重要指标之一。基于此，文章对国内外电动车研究现状所面临的一些问题进行总结，重点分析了国内外有关电磁噪声控制技术方面的研究。英国物理学家麦克斯韦在 19世纪根据电磁感应定律提出了电位移的概念，并将该名词推广到真空电场中，提出了麦克斯韦方程组，对变化的电磁场进行描述。文献[1]通过麦克斯韦方程组分别对永磁体磁密、电枢反应磁密[2]、定子齿槽效应[3]、负载下的合成气隙磁密4种情况进行分析[4]。文献[5]根据麦克斯韦张量方程推导了径向电磁力的解析模型，计算出的结果与有限元分析结果十分接近。文献[6]建立复数比磁导模型时，将气隙磁密畸变通过磁导实部和虚部考虑在内，来反映齿间处磁密和电磁力的变化。现有的气隙磁密和电磁力解析计算模型能达到较高的精度，然而对于内置式且具有一定复杂形状永磁体的电机，由于其具有复杂的磁路，目前为止最普遍的方法还属有限元法。电磁噪声是由电磁场交替变化而引起某些机械部件或空间容积振动而产生的噪声。常见的电磁噪声产生原因有线圈和铁心空隙大、线圈松动、载波频率设置不当、线圈磁饱和等。无论在任何条件下，只要电流存在，都会产生电磁噪声。电动车在行驶过程中，电动机工作产生的电磁噪声给驾驶员的感受是最直接的。电动车与传统汽车类似，也是由激励源、振动传感器、噪声发射器三大系统组成，与传统汽车不同的是，电动车的激励源主要来自电动机。相较于传统汽车发动机噪声而言，电动车的电动机噪声频率更高，因此电动机噪声对整车的乘坐舒适性有重大影响。该噪声主要是电磁噪声、机械噪声以及电动车存在的少部分气动噪声。由于电动车驱动电机一般采用水冷，因此气动噪声基本可以忽略，机械噪声与一般旋转机械的噪声研究类似。因此文章主要总结国内外驱动电机动力总成的电磁噪声控制技术。对电动车电机的电磁噪声进行研究时涉及到多个物理场的研究，包括电路、电磁、声辐射等的研究，如图 1所示。怎样能够做到对电动机多物理场精确的建模是目前研究电动机噪声源的一个热门研究话题，对于复杂多样的模型，目前为止比较的精确的还是用数值分析的方法。文献[7]通过模态扩展方法获取了整个定子表面的振动，文献[8]提出了一种多物理场模型来计算开关磁阻电机的噪声，文献[9]建立了电动机振动的快速计算方法。但是这些模型仍然存在一些问题，比如在对定子建模的过程中没有考虑定子铁芯的各向异性[10]。文献[11-12]通过一系列试验得出各向异性材料的参数，进而提高了该电动机振动和噪声计算的精度。此外，文献[13]计算了不同极槽配合电动机的噪声并且对电动车在不同工况下的电动机噪声和对驾驶员客观心理声学指标进行了预测。电动车的驱动电机在工作过程中常会存在一些不确定因素，这些因素对电动机内部的电磁力有着很大的影响。文献[14]通过试验发现脉宽调制对电磁噪声有很大的影响。文献[15]分析了变频器供电，发现变频器的存在同样是产生电动机噪声的原因之一。文献[16]通过进行仿真计算，对正弦波脉宽调制和空间矢量控制 2种调制策略下的电磁振动进行比较，对控制策略进行优化，使电动机噪声降低 35!。文献[17]指出偏心导致不平衡磁拉力的产生，从而加剧电机振动和噪声。文献[18]对转子动态偏心进行分析，发现这种情况下会产生边频噪声，因此可以根据这种现象来判断动态偏心。文献[19]根据上述结论，并通过大量试验，利用边界元方法分析发现静态偏心对电动机有一定的影响，但影响不大。文献[20]通过建立一半解析模型分析偏心对转速的影响，分析结果表明偏心会引起空间电磁力的变化。电动车驱动电机的转速会对电磁噪声的产生有一定影响，但目前对电动机电磁噪声加以削弱的方法还不是特别成熟。目前的电动机减振降噪主要从激励源优化角度加以考虑。文献[21-23]分别采用优化转子参数、在转子表面开凹槽、选择空间阶数较大的极槽配合的方法来达到降低电动机电磁噪声的目的。在以上方法的基础上，文献[24]又经过试验发现，可以通过改变各次谐波幅值的方法来降低电磁噪声。文献[25]重点研究控制优化策略，通过该方法也可以做到使电动机电磁噪声有效降低，同时提出了注入补偿电流来削弱分数槽集中绕组电动机 2倍电流频率处的振动。文献[26]提出了一种新的电压注入策略，在稳定转速下保持较低的电压，转速瞬态变化时保持较高的电压。文献[27]采用一种正弦规律变化的载波频率来削弱电磁噪声并且减小电流谐波畸变率，在只改变一个控制参数的前提下来改变电流频谱，并且在避免结构共振的同时保证一个电周期内的载波数不变。文献[28]采用离线调制的策略使能量分散的同时能够降低电流谐波幅值，使得结构模态频率附近的电流谐波能量降低，从而减小总体噪声。文献[29]经过大量试验提出通过使转子分段斜极的方法来降低电动机电磁噪声。文献[30]在上述方法的基础上，对比了定子倾斜与转子倾斜的效果，试验结果表明，定子倾斜降低电动机电磁噪声的效果明显好于转子倾斜。虽然电磁噪声控制技术取得了很大进步，但现有的模型只能够用来分析在转速不变时的电磁噪声，因此还需要建立能够用于不同复杂工况下的电动机噪声模型。另外，目前存在的方法虽然能够有效减小电动机噪声，但同时也降低了部分电动机性能，因此需要找到一种不影响电动机性能的降噪方法。在纯电动汽车中，需要解决的问题主要在于电动机的电磁噪声，同时也需要将电动车的整车性能，车身轻量化，动力总成等问题考虑到电动汽车的设计中去。虽然电动车对环境的影响比传统汽车少，但是其工作过程中产生的电磁噪声会影响驾驶员的驾驶状态，严重时会使驾驶员感到不适，增加交通事故发生的概率。但是随着电动车的发展，这些问题正在被逐渐解决，将电动汽车不同工况下的电动机振动和噪声物理场建模相结合是解决电磁噪声最重要的课题。
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首次发布时间：2023-04-22
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