一 引言

       當前，在中國和全球市場，汽車行業都面臨著更加嚴苛的法規限制，更短的量產周期，并且新能源技術的發展日益成為汽車動力總成發展的必然趨勢，汽車產品更快地向低碳、電動、智能化方向發展，各大OEM不斷加大對新能源汽車研究的投入，中國新能源汽車產業正在全面升級。

       

       伴隨計算機輔助設計與仿真的日益普及，CAE技術在電驅動系統的設計開發中發揮著越來越重要的作用。AVL作為全球知名的汽車技術咨詢公司，在電驅動總成設計與開發的模擬技術中，形成了從系統到部件、從部件結構可靠性、系統NVH性能到整車動力性經濟性以及整車熱管理分析的完整的工具鏈。基于AVL 仿真模擬平臺針對電機的模擬仿真，可以考慮到多物理場間復雜的相互作用，進行多物理場、多計算域的聯合仿真。例如：根據電機電磁場計算結果，結合多物理場耦合分析功能，可以進行電機的三維熱管理分析，用于電機冷卻水道的詳細設計和優化；基于三維熱管理分析的計算結果，自動地生成電機一維熱管理模型，并結合電磁場分析得到的電機外特性和效率Map圖，可進一步搭建全面的系統級整車熱管理模型進行整車系統級別的能量分析和優化；除此之外，電磁激勵還可作為同平臺電機動力學分析的載荷邊界，繼而實現電機NVH特性的準確模擬。

圖3 AVL仿真分析平臺電機仿真內部數據交互

    

       在汽車開發過程中，NVH性能作為的重要評估指標之一，直接關系到整車駕駛舒適性。而隨著汽車動力傳動系統架構的變更，新能源汽車在NVH性能開發過程中重點關注和著重解決的問題點也與傳統汽車相去甚遠。其中，電驅動總成做為新能源汽車一種新的驅動方式，其NVH性能開發是關注的重點。本文將就AVL在電驅動系統NVH仿真分析的開發應用上做重點闡述和介紹。

二　主要分析任務

       根據電驅動總成結構，其主要噪聲來源可以分為兩個部分：一是電機噪聲，二是齒輪噪聲。

       電機噪聲主要分為三個方面，即空氣噪聲、機械噪聲和電磁噪聲。空氣噪聲主要由于風扇轉動，使空氣流動，撞擊、摩擦結構而產生。噪聲大小決定于風扇大小、形狀、電機轉速高低和風阻風路等情況。現階段，常見新能源汽車電驅動系統中電機冷卻形式主要為冷卻液冷卻，傳統電機風噪并不是其關注的對象。機械噪聲是由電機相關零部件之間（比如滾動軸承）相互摩擦而產生的周期性或非周期性的機械沖擊或振動引起的。電磁噪聲的根源是電機氣隙中各諧波磁場引起的交變電磁力導致鐵芯及其相關聯的機械構件產生的振動。電磁噪聲也是電機噪聲分析中關注的重點。對于電驅動總成中齒輪噪聲，可按其主要表現形式分為兩類，即敲擊噪聲和嘯叫噪聲。敲擊噪聲是非承載齒輪工作過程中由于轉速波動引起的齒面兩側來回敲擊導致的噪聲，嘯叫噪聲則是由于承載齒輪嚙合過程中嚙合剛度和傳遞誤差的周期性變化導致的有階次特征的噪聲。由于當下電驅動總成基本還都是單傳動比，沒有多檔齒輪傳動，即不存在非承載齒輪對，所以齒輪嘯叫噪聲是當前電驅動總成中齒輪噪聲的主要來源。

圖4 齒輪敲擊噪聲

圖5 齒輪嘯叫噪聲

三 電機仿真

3.1 電磁激勵

       針對電磁場模擬，AVL仿真分析平臺可以實現電機二維切片的自動生成與網格的自動處理，通過定義基本參數，如繞組形式、極對子數、定子齒槽個數以及電機有效長度等，結合電機各部件材料特性如矯頑磁力、B-H曲線以及導磁率等，即可對電機電磁場進行相應的計算。

圖6 AVL仿真分析平臺電磁場仿真流程

       根據麥斯威爾磁場分析理論，自動計算電機定子齒上的徑向力、切向力以及彎曲力矩，同時計算電機不同工作電流下隨轉子轉角變化的輸出力矩，為電機NVH分析提供準確的激勵邊界。

圖7 電磁激勵

3.2 電機轉子動力學

       基于AVL 仿真分析平臺進行結構動力學分析，不僅可以涵蓋傳統動力總成，亦可對混動及純電動系統進行動力學計算。結合電磁場仿真結果即可對電機電磁噪聲進行相應的分析。

       AVL仿真分析平臺動力學模型支持的電機類型包含永磁同步電機 (PMSM)、勵磁同步電機(EESM)、鼠籠式異步電機(SCIM)、雙饋式感應電機(DFIM)以及同步磁阻電機(SYRM)，可滿足常見的電機仿真分析需求。而且動力學模型中的電機單元集成了逆變器、傳感器、電源供給、控制器等功能，可對電機不同控制模式下穩態或瞬態動力學特性進行相應的分析。

圖8 動力學模型支持的電機類型

       電機轉子作為電機的主要運動部件，它靠軸承支撐于電機殼體上。其工作過程中一方面承受電磁場扭矩激勵，輸出扭矩給傳動系統；另一方面，由于自身質量偏心或磁場偏心會導致徑向偏心運動，在軸承支撐下，通過軸承傳遞徑向載荷給電機殼體。同時，徑向位移還會引起電磁場分布的變化，繼而影響電磁激勵，返過來影響轉子偏心量和軸承激勵。

       傳統的電磁場分析基本無法同時考慮電機瞬態過程中轉子運動或變形與磁場的完全耦合，而基于AVL仿真分析平臺，動力學模型中電機單元可準確考慮機械和電磁場的瞬態耦合效應。

       圖9為電機多種偏心形式，包括轉子偏心、磁極偏心、轉子和磁極均偏心以及定子變形和轉子偏心。不論何種偏心，都會對電磁場分布產生影響。右圖為某電機在轉子一定偏心下的轉子徑向受力，從圖中很明顯可以看轉子受力在一個循環周期內出現一個相對較大的周期性的峰值。而圖10反映的是電機軸承力在轉子偏心和非偏心情況的對比，可以看到前者比后者激勵幅值高出許多。

圖9 轉子偏心

圖10 轉子偏心對軸承力影響

       圖11為考慮和不考慮電磁徑向拉力電機轉子的徑向位移和軸承軸心軌跡的結果對比，其中藍色線為不考慮電磁拉力影響的結果，黑色線為考慮轉子徑向位移與電磁場耦合引起的徑向電磁拉力影響的結果。從圖中明顯可看出在電磁拉力作用下會更加促進轉子的徑向位移，同時徑向激勵也隨偏心量的增大而有所的增加，這就意味著電機軸承的受力及傳遞到殼體的載荷同樣也會大幅提高，由此才能更真實地反映電機結構的受力狀態以及由此可能引起的可靠性或振動問題。

圖11 磁拉力對于轉子動力學影響

       此外AVL仿真分析平臺動力學模型中，基于轉子軸向切片分析方法，可考慮電機轉子磁極扭曲角度對于轉子受力的影響，圖12 為有磁極扭曲角和沒有磁極扭曲角的電機輸出扭矩結果對比，從圖中可知增加扭曲角后電機轉子輸出力矩的波動幅值明顯降低。

圖12 轉子磁極扭曲角對電機輸出扭矩波動的影響

3.3 電機NVH計算

       基于AVL仿真分析平臺，可以方便地進行電磁場計算和動力學計算之間的數據交互，并且基于三維Map形式的電磁激勵數據交互還可以充分考慮電磁場與機械場的耦合作用，以進行準確的電機振動分析。并且，基于電機結構的表面振動，還可以快速進行電機自由聲場的模擬。

圖13 電機NVH分析流程

 四 齒輪建模

       考慮到電機運行轉速較高，需要加入減速器以降低輸出轉速、提高輸出扭矩。而電機和齒輪減速器甚至電控系統的集成化設計基本成了目前電驅動總成開發的主流。

圖14 電驅動系統結構

       根據不同的產品開發階段，AVL仿真分析平臺動力學模型齒輪副建模提供不同的建模深度，分別為嚙合線接觸模型、完整齒面接觸模型以及柔性齒輪盤接觸模型，三種建模方式可以涵蓋不同詳細程度的齒輪分析。概念設計階段，基于嚙合線接觸模型可在基本的齒輪宏觀參數下實現齒輪嚙合分析，而在詳細設計校核階段，基于完整齒面接觸模型以及柔性齒輪盤接觸模型，在考慮齒輪宏觀參數基礎上增加齒輪微觀修形參數，詳細評估齒面嚙合情況以及殼體響應情況。

           a 嚙合線接觸模型          

b 完整齒面接觸模型     

c 柔性齒輪盤接觸模型

圖15 不同級別的齒輪副建模類型

       電驅動總成中，常見的減速器架構主要分為如圖16所示的兩級減速帶副軸形式、兩組行星齒輪組形式以及單組行星齒輪組帶副軸形式三種類型。這三種架構中無論哪種形式所有齒輪對在電驅動系統工作過程中均會承載，這也是電驅動總成齒輪主要噪聲形式為嘯叫噪聲根本原因。

圖16 電驅動總成架構

       齒輪傳動工作過程中，不同的齒輪設計參數（宏觀參數和微觀修形）、殼體和齒輪軸柔性變形、齒輪盤的柔性變形、軸承間隙的變化均會導致齒輪嚙合狀態的變化，繼而影響齒輪箱的NVH表現。AVL仿真分析平臺動力學模型中，以上所有的影響因素均可以考慮，從而為準確模擬齒輪嘯叫噪聲提供了保證。

圖17 齒輪嘯叫影響因素

       對于電驅動總成帶行星齒輪組的架構中，由于外齒圈結構剛度相對較弱，工作過程中在齒輪嚙合力作用下會產生一定的變形，甚至和齒輪箱殼體一起出現耦合共振。由圖18可知外齒圈的變形會很大程度上改變行星齒輪嚙合狀態，導致齒輪傳遞誤差的增大，還會出現邊頻調制，繼而會導致變速器在主諧次噪聲增大的同時，附近還會出現邊頻噪聲。

圖18 柔性齒輪影響

       基于AVL仿真分析平臺動力學分析，可以考慮齒輪盤（外齒圈）結構變形對齒輪副嚙合狀態的影響。圖19 為某電驅動總成中行星齒輪組在考慮柔性齒圈變形以及不考慮柔性齒圈變形的區別，從齒輪嚙合階次的輻射噪聲聲壓級幅值來看，二者相差甚至達到了10dB。

圖19 電驅動總成行星齒輪副階次噪聲

       基于AVL仿真分析平臺動力學模型，齒輪仿真分析過程中也可考慮齒輪微觀修形的影響，在齒輪噪聲優化中即可分析不同微觀修形方案對于齒輪箱噪聲的影響。圖20 為考慮齒輪微觀修形后齒面載荷分布以及嚙合階次噪聲幅值的差異，可以看出修形后很大程度上減小了齒輪嘯叫噪聲。

圖20 齒輪修形影響

五 系統NVH分析以及噪聲輻射計算

       基于AVL仿真分析平臺，結合電機以及減速器的電驅動總成動力學分析模型，同時考慮電磁場激勵、齒輪嚙合激勵以及滾動軸承載荷的影響，即可對電驅動系統工作過程中NVH特性進行準確的仿真。

圖21電驅動總成分析

      

       圖22為電驅動總成中考慮電磁力與不考慮電磁力的聲壓級結果，從圖中可知在增加電磁激勵后聲壓級明顯出現電機的諧次特性，且聲壓級整體幅值有一定的增加。通過激勵逐一加載的方式，可快速分析不同激勵源的主要影響頻域范圍。 

圖22電驅動總成不同激勵源影響

       由上分析可知，電機噪聲與齒輪嚙合噪聲均有明顯的高階諧次噪聲的特性，在早期齒輪齒數設計過程中就應盡量避開電機激勵階次，避免由于二者階次重合或相近導致階次噪聲峰值過大。

圖23 電機與齒輪噪聲階次

總結

       基于AVL仿真分析平臺，可完整地對電驅動總成進行準確的仿真。同一平臺可準確模擬電機電磁場分布，結合電機轉子動力學分析，可以實現電磁場與機械場的耦合計算，考慮機械變形、相對運動以及磁場分布的相互影響。同時結合詳細的齒輪箱建模，進一步進行電機和齒輪箱動力學仿真，在此基礎上實現電驅動總成動力學和NVH的準確計算，整個仿真分析流程各任務之間可進行數據的無縫對接，從而保證了仿真過程執行的可靠性以及數據的一致性。

       希望以上信息對廣大有電驅動總成設計和分析需求的用戶有所幫助，如有任何問題，也歡迎發送郵件至我們技術支持郵箱Mechanical_support_china@avl.com進行咨詢。