在新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背景下，消費(fèi)者對(duì)整車NVH性能提出更高要求。受新能源汽車驅(qū)動(dòng)方式影響，驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲成為整車NVH性能的關(guān)鍵影響因素。該文在分析新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲機(jī)理及對(duì)整車NVH性能影響的基礎(chǔ)上，以某新能源汽車的永磁同步電機(jī)為例，闡述電磁激勵(lì)分析方法，提出驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能改進(jìn)策略，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能改進(jìn)效果進(jìn)行評(píng)估，以優(yōu)化整車NVH性能，推動(dòng)新能源汽車行業(yè)發(fā)展。

      新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH(噪聲、振動(dòng)、聲振 粗糙度)性能是衡量車輛舒適性和品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)前，新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往往采用的是永磁同步電機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用中具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、調(diào)速范圍廣、高效區(qū)間廣、NVH性能出色等特征，對(duì)提升駕乘舒適性和整車可靠性具有顯著促進(jìn)作用。但是在驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作過(guò)程中，電機(jī)如果出現(xiàn)嚴(yán)重振動(dòng)噪聲現(xiàn)象，不僅會(huì)加劇機(jī)械部件的磨損和疲勞，縮短使用壽命，還會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致整車振動(dòng)加劇，關(guān)鍵部件失效，對(duì)整車動(dòng)力傳遞和驅(qū)動(dòng)性能產(chǎn)生不良影響。

      1 新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲機(jī)理及對(duì)整車NVH性能的影響

      新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理:新能源汽車永磁同步電機(jī)的振動(dòng)主要有電磁振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)兩種形式。電磁振動(dòng)主要是電機(jī)內(nèi)部電磁力，尤其是電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁力波動(dòng)等造成的。對(duì)于電磁振動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)子和定子之間存在復(fù)雜的電磁相互作用，受交變磁場(chǎng)的 非均勻分布，以及電機(jī)設(shè)計(jì)不平衡、電流不對(duì)稱等多種因素的影響，驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生較為顯著的振動(dòng)及噪聲現(xiàn)象。機(jī)械振動(dòng)通常是由于電機(jī)軸承、齒輪箱、轉(zhuǎn)子不平衡等因素引起，同樣會(huì)帶來(lái)不同程度的噪聲現(xiàn)象，尤其是在電機(jī)與齒輪箱連接存在剛性或?qū)χ袉?wèn)題時(shí)，更易導(dǎo)致傳動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)加劇。同時(shí)，部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生電機(jī)控制器噪聲、電池冷卻噪聲等，對(duì)駕乘體驗(yàn)和安全性造成不利影響。

      振動(dòng)噪聲對(duì)整車NVH性能的影響:在新能源汽車NVH性能控制和改進(jìn)過(guò)程中，需要重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)力系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的影響，尤其是在車輛行駛狀態(tài)下，應(yīng)避免驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)及噪聲等現(xiàn)象對(duì)整車NVH性能產(chǎn)生影響。新能源汽車與傳統(tǒng)燃油汽車在驅(qū)動(dòng)方式上有差異，前者的振動(dòng)噪聲主要是來(lái)自驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高頻振動(dòng)。新能源汽車以電機(jī)支架和車身底盤為動(dòng)力傳遞路徑，導(dǎo)致車內(nèi)某些部件隨之振動(dòng)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)自身也會(huì)由于電磁、軸承及齒輪部件運(yùn)行，出現(xiàn)噪聲現(xiàn)象并傳播至車內(nèi)空間。這些噪聲通常表現(xiàn)為嗡嗡聲或嘯叫聲，在與外界道路噪聲、風(fēng)噪等混合后，對(duì)駕乘舒適感產(chǎn)生顯著影響。此外，振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生還會(huì)對(duì)駕駛體驗(yàn)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，使得駕駛員無(wú)法正確感知方向盤、座椅和腳踏板的位置信息，影響正確判斷和反應(yīng)，進(jìn)而出現(xiàn)錯(cuò)誤操作行為，對(duì)駕駛安全性產(chǎn)生負(fù)面影響。

      2 某新能源汽車永磁同步電機(jī)性能分析

      基本參數(shù):某插電混動(dòng)版SUV車型采用前置永磁同步電機(jī)方案，其電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

      電磁激勵(lì)分析:從驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁激勵(lì)產(chǎn)生原理出發(fā)，本文采用有限元分析方法，建立電機(jī)三維電磁場(chǎng)模型，計(jì)算磁密分布，以及定子齒部和氣隙中的徑向與切向電磁力密度。電磁力F計(jì)算公式：


      式(1)中，B_r為徑向磁密分量，B_t為切向磁密分量，μ₀為真空磁導(dǎo)率。將電磁力分解為時(shí)空諧波，分析各階次諧波的幅值和頻率，重點(diǎn)關(guān)注與電機(jī)結(jié)構(gòu)固有頻率接近的諧波。有限元仿真結(jié)果顯示，該驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁力主要集中于定子齒尖區(qū)域，幅值最大為1.2kN/m2;主要諧波階次為48000±8(由48槽數(shù)和8級(jí)數(shù)結(jié)構(gòu)決定)，頻率集中在400～2000Hz。

      齒槽轉(zhuǎn)矩分析:驅(qū)動(dòng)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)子永磁體與定子齒槽之間的磁阻變化引起，其周期性波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和振動(dòng)，磁能對(duì)轉(zhuǎn)子位置的導(dǎo)數(shù)計(jì)算公式：


      式(2)中，W為磁能，θ為轉(zhuǎn)子機(jī)械角度，為磁能 W 對(duì)轉(zhuǎn)子機(jī)械角度θ的偏導(dǎo)數(shù)，表示磁能隨轉(zhuǎn)子位置的變化率。利用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)齒槽轉(zhuǎn)矩，計(jì)算其基波和諧波分量，計(jì)算結(jié)果顯示齒槽轉(zhuǎn)矩基波頻率f_cog為280Hz。利用有限元法進(jìn)行瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真，提取不同轉(zhuǎn)子位置下的轉(zhuǎn)矩值，計(jì)算結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)矩峰峰值ΔT_cog為2.5N·m，占額定轉(zhuǎn)矩的3%。

      轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析:轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由電流諧波、磁鏈諧波及齒槽效應(yīng)共同作用產(chǎn)生，表達(dá)式 ：


      式(3)中，p為極對(duì)數(shù)，Ψ_d、Ψ_q分別為直軸和交軸磁鏈，i_d、i_q分別為直軸和交軸電流。利用電流諧波注入法優(yōu)化電流波形，抑制(6000±1)次諧波。通過(guò)斜槽或分段刺激設(shè)計(jì)，進(jìn)行磁鏈諧波補(bǔ)償。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)峰值為4.8N·m，主要由5次和7次電流諧波貢獻(xiàn)，在注入諧波后，脈動(dòng)降至1.2N·m。

      影響分析:由上述分析可以看出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在運(yùn)行中存在高頻振動(dòng)現(xiàn)象，尤其是定子齒尖區(qū)域，能夠產(chǎn)生頻率介于400～2000Hz的高頻電磁力，激勵(lì)定子鐵芯和殼體振動(dòng)，同時(shí)有高頻嗡嗡聲或嘯叫聲出現(xiàn)，該現(xiàn)象在電機(jī)高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下更為顯著。在上述激勵(lì)作用下，副車架或懸架系統(tǒng)極有可能引發(fā)共振，儀表盤和車門飾板可能出現(xiàn)異響現(xiàn)象。齒槽轉(zhuǎn)矩基波頻率為280Hz，轉(zhuǎn)矩峰峰值為2.5N·m，占額定轉(zhuǎn)矩的3%。這種周期性轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出軸產(chǎn)生低頻扭振現(xiàn)象，在車輛加速或勻速行駛時(shí)，可能會(huì)引發(fā)傳動(dòng)系統(tǒng)抖動(dòng)和車內(nèi)部分位置明顯振感，被駕駛員感知為“頓挫感”，影響駕駛舒適性。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩周期性波動(dòng)，再通過(guò)齒輪嚙合傳遞至減速器，由此引發(fā)齒輪箱的齒頻振動(dòng)，產(chǎn)生尖銳噪聲。

      3 新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能改進(jìn)策略

      優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):在驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子如果不平衡，必然會(huì)導(dǎo)致額外振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生，因此有必要解決轉(zhuǎn)子的高精度動(dòng)平衡問(wèn)題。在制造工藝中，采用激光切割和數(shù)控加工技術(shù)，能夠有效提升轉(zhuǎn)子鐵芯和導(dǎo)線加工精度，結(jié)合自動(dòng)化平衡測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的動(dòng)平衡調(diào)整。在生產(chǎn)結(jié)束后，利用高速動(dòng)平衡測(cè)試，淘汰不符合動(dòng)平衡等級(jí)的產(chǎn)品，以確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)在運(yùn)行中能夠?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)最小化。在轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中，還可以使用阻尼套或增加阻尼量等方式，優(yōu)化減振材料或結(jié)構(gòu)，吸收由于不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)能量。在定子和殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用斜槽設(shè)計(jì)，分散電磁力引起的振動(dòng)，可有效減少噪聲產(chǎn)生。將殼體設(shè)計(jì)為有效吸收或隔離振動(dòng)的形式，在關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)減振支撐，在增強(qiáng)殼體剛度的同時(shí)，能夠有效隔斷振動(dòng)傳遞路徑，達(dá)到優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能的目的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以通過(guò)有限元分析等方法進(jìn)行驗(yàn)證，以有效提升設(shè)計(jì)效率。

      優(yōu)化材料選擇:在新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展背景下，優(yōu)化材料選擇成為改進(jìn)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能的重要方式。電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁力波動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能影響最為顯著，而這兩方面因素都受驅(qū)動(dòng)電機(jī)所選用磁材料的影響，因此在設(shè)計(jì)中，選用高性能的軟磁合金或先進(jìn)的非晶態(tài)、納米晶態(tài)磁材料，能夠利用其所具有的高磁導(dǎo)率和低磁滯損失，提供更平滑的扭矩輸出，減少由于磁力引起的振動(dòng)和磁噪聲。高阻尼材料在驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)中的合理應(yīng)用，是優(yōu)化電機(jī)NVH性能的重要方式。以某新能源汽車為例，采用約束阻尼復(fù)合材料控制器上蓋板，形成“金屬基板+阻尼層+約束層”，可有效提升結(jié)構(gòu)整體阻尼性能，使得1200Hz內(nèi)共振帶消失，中低頻段振動(dòng)能量顯著衰減。在未來(lái)發(fā)展中，高阻尼與輕質(zhì)復(fù)合材料的結(jié)合將成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)材料優(yōu)化的重要方向。

      應(yīng)用主動(dòng)減振降噪技術(shù):主動(dòng)減振降噪技術(shù)在新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能優(yōu)化中具有良好的應(yīng)用成效，以主動(dòng)減振技術(shù)為例，該技術(shù)基于對(duì)電機(jī)及其組件振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)施動(dòng)態(tài)反饋或前饋控制策略，抵消振動(dòng)源激發(fā)的振動(dòng)噪聲。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)中，在支架或安裝底座位置，可集成電磁或壓電制動(dòng)器等主動(dòng)減振單元，根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相位相反的力，以抵消振動(dòng)。主動(dòng)減振控制系統(tǒng)還能夠通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，減少電磁力不平衡或轉(zhuǎn)速波動(dòng)等引起的振動(dòng)，有效提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能。主動(dòng)噪聲控制技術(shù)則是通過(guò)嵌入式麥克風(fēng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)和車輛內(nèi)部噪聲環(huán)境，并利用揚(yáng)聲器產(chǎn)生相位相反的聲波，有效抵消噪聲，提升車輛駕乘舒適度。在當(dāng)前的新能源汽車設(shè)計(jì)中，主動(dòng)減振降噪技術(shù)也已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，對(duì)改進(jìn)整車NVH性能起良好促進(jìn)作用。

      4 新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能改進(jìn)效果評(píng)價(jià)

      評(píng)價(jià)方案:參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)，針對(duì)本文驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能存在的問(wèn)題，采用臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車路試相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)試，采集改進(jìn)策略實(shí)施前后的振動(dòng)、噪聲及轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)，利用快速傅里葉變換算法分析振動(dòng)和噪聲頻率分布，對(duì)共振頻率偏移進(jìn)行驗(yàn)證。將評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)定為振動(dòng)幅值、噪聲水平、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)峰峰值、齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值、關(guān)鍵部件共振頻率偏移量，對(duì)優(yōu)化方式進(jìn)行效果驗(yàn)證。

      測(cè)試結(jié)果:利用上述評(píng)價(jià)方式，對(duì)相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本文的驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能參數(shù)改進(jìn)效果如表2所示?；趨?shù)對(duì)比結(jié)果可以看出，斜槽設(shè)計(jì)能夠顯著分散電磁力諧波，降低定子振動(dòng)幅值，同時(shí)有效提升轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡等級(jí)。應(yīng)用納米晶和約束阻尼材料，能夠有效降低鐵芯鐵損，減弱振動(dòng)傳遞。優(yōu)化主動(dòng)控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，也能有效降低車內(nèi)噪聲水平。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)性改進(jìn)可有效提升新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH整體性能。


      5 結(jié)束語(yǔ)

      新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能改進(jìn)策略在驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能改善方面具有良好的應(yīng)用成效。未來(lái)，隨著新能源汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，汽車制造企業(yè)必須更加重視驅(qū)動(dòng)電機(jī)NVH性能的優(yōu)化，采取系統(tǒng)性的優(yōu)化策略，減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲對(duì)整車NVH性能的影響，有效提升新能源汽車產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

      參考文獻(xiàn) ：略