摘要:為了研究電動車的高頻電磁噪聲問題，以電動車動力總成為研究對象，綜合考慮電機電磁徑向電磁力波和切向電磁力波，建立了動力總成有限元分析模型，采用一種弱磁－固耦合的方法對動力總成的電磁振動噪聲特性進行分析，研究切向電磁力對系統振動噪聲特性的影響。在半消聲室中，對動力總成進行振動加速度及輻射噪聲測試，以驗證仿真分析方法的準確性。研究結果表明，電機與減速器集成后，切向電磁力對電機振動噪聲影響不大，但對減速器產生了不可忽略的影響，在2000Hz和2400Hz處，切向電磁力在減速器表面產生了明顯的振動，并且對減速器表面2000Hz～2400Hz范圍內的聲場貢獻較大。研究結果對電機的電磁參數和結構進行改進和優化設計，為降低電機的電磁振動提供理論依據和試驗支持。

0 引言

隨著世界各國大力推廣新能源汽車，國內外學者也開始研究電動車用永磁同步電機的振動噪聲特性振動特性，研究發現噪音和振動的根源是徑向力引起的電磁振動。此外，在進行電磁仿真分析時，通常施加理想的三相正弦電流，沒有考慮外電路電阻、電感等元件的影響; 隨著研究的深入，有學者發現:針對電機－ 減速器集成驅動系統而言，由于電機與減速器存在耦合作用，因此有必要考慮電磁切向力波。 B．Prasanth 針對車用發電機嘯叫進行研究，發現電機嘯叫不僅與其自身有關，還與與其連接的機械構件有關。 通過改變連接方式、增加質量塊等方式提高了電機的噪聲品質。 P．Pellerey 等人分析了電磁切向力對電動車動力總成動態響應的影響，提出切向電磁力不會對電磁噪聲有較大貢獻，但是會對減速器動態特性產生影響。

本文以集中驅動式電動車動力總成為研究對象，考慮外電路的影響，建立場路耦合電磁仿真分析模型，得到徑向和切向電磁力。分析切向電磁力對系統振動噪聲特性的影響。

1 電磁力計算

電動車與傳統汽車動力驅動系統的差異，使得其振動噪聲激勵源也存在差別。純電動車動力總成是由減/差速器和永磁同步電機組成的，其激勵源除了齒輪嚙合激勵外，還有電磁激勵，從而高頻振動噪聲現象在電動車中較為突出。

電磁噪聲主要由電機運行時氣隙中諧波磁場相互作用做產生的電磁力波引起的。利用麥克斯韋定律可求出定子鐵心內表面單位面積上的法向電磁力P_r 和切向電磁力 P_t ，如下式所示:

      

式中:μ為空氣磁導率，為4×10^-7H/m;B_r、B_t分別為電磁徑、切向氣隙磁密。

1．1 電磁激勵仿真建模

采用場路耦合的方法來考慮外電路對電磁激勵的影響。聯合仿真模型如圖1所示，在Simplorer中搭建SPWM控制電路，在Ansoft中建立電機電磁分析模型。通過將外部電路產生的三相電流輸入到電磁分析模型中實現場路耦合聯合仿真。電磁激勵仿真工況為電機轉速3000r/min，負載為12N·m。

圖1 電磁激勵聯合仿真模型

1 ．2 仿真結果分析

圖2 電磁力

圖2(a)為電機電磁力波時域圖，可以看出，徑向力和切向力均呈周期性變化，徑向力峰值達到了106N/m²，切向力峰值達到了4×105N/m²;電磁力頻域分布如圖2(b)所示，可以看出，電磁力在400Hz、800Hz、1200Hz、1600Hz、2000Hz等頻率處存在峰值，這些頻率均為電機電流諧波頻率。國內外眾多學者研究發現，考慮到切向力幅值較小以及電機結構對稱的原因都忽略了切向電磁力的作用，而認為電機徑向力是產生電磁振動噪聲最主要的原因。但是，電機與減速器集成在一起后不再是圓柱結構，系統的振動特性會發生變化，在實際工作 中切向電磁力可能對動力總成的振動噪聲產生很大影響，有必要加以考慮。 因此，后續的研究工作一方面要注重減小電磁力的幅值，另一方面要避免一些電磁力的諧波分量出現在動力總成的固有頻率處。

2 模態分析

模態分析是對系統動力學特性參數進行參數辨識和估計的技術，是結構運動學的分析基礎。根據動力總成實際的邊界條件將3個懸置處約束后進行模態分析，為研究電機振動/噪聲提供力學分析依據。材料參數如表1所示。計算得到的振型及頻率如圖3所示。

表1 材料參數

圖3 模態振型

從圖3可以看出，減速器的加入使得系統的振型變得復雜，不再是典型的電機振型，而是既有單獨的電機振型，也有單獨的減速器振型，還有二者耦合的整體振型; 動力總成固有頻率分布密集，在電磁力 的諧波頻率附近都存在著多個固有頻率，會對系統振動噪聲特性產生影響。

3 振動特性分析

利用ANSYS有限元軟件建立該電機三維結構的有限元模型，再以時域瞬態電磁場分析得到的穩態電磁力作為激勵，進行電機結構的響應分析，得到在電磁力激勵下電機的振動特性。利用有限元法容易建立電機結構振動的運動微分方程為

                    (3)

式中: M、C、K分別為質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;分別為位移向量、速度向量和加速度向量;F為動載荷向量。

圖4為ANSYS Workbench中的分析模型和受力示意圖，將徑、切向電磁力分別加到定子齒上，觀察動力總成表面振動情況。 電機在實際工作時，動力總成懸置是固定在副車架上的，因此動力總成的電磁振動分析是在懸置零位移約束狀態、電機定子內表面受到一個旋轉激勵力的條件下計算得到的。

圖4 受力示意圖

在有無切向電磁力的作用下，計算得到在0Hz～5000Hz的頻率范圍內，動力總成結構的振動加速度，如圖5、圖6所示。

從圖5電機外側振動加速度頻域圖可以看出，切向電磁力對電機徑向振動幾乎沒有影響，而在2400Hz處電機表面的切向加速度有明顯的差別。從圖6減速器表面振動加速度頻域圖可知，在2000Hz以及2400Hz處，切向電磁力對減速器表面的振動加速度有較大影響。這是因為切向電磁力在2000Hz和2400Hz處存在峰值，而2000Hz和2400Hz接近系統的第5階和第8階的固有頻率。

圖5 電機表面振動加速度

圖6 減速器表面振動加速度

圖7為徑、切向電磁力共同作用下，動力總成表面振動位移圖?？梢姳M管只有電機定子受力，但由于電機與減速器是通過螺栓連接成一體的，因此電磁力對減速器殼體仍會產生較大影響。

圖7 動力總成振動位移

4 噪聲研究

以LMS Virtual．Lab Acoustics有限元仿真軟件為平臺，仿真動力總成的電磁噪聲聲場分布情況。圖8為樣機電磁噪聲聲場分布云圖。從圖8仿真結果可知，動力總成機身附近的聲功率較大，這是由于徑向電磁激振力直接作用在電機定子鐵心內表面，而隨著聲場的擴大，聲場呈射線狀散開。

圖8 動力總成殼體結構輻射聲場聲壓級分布

圖9(a)為電機表面某點的聲壓曲線，可以看出，切向電磁力對電機表面的聲壓級貢獻不大，只是在2400Hz左右有4dB的差別。圖9(b)為減速器表面某點的聲壓曲線，可以看出，在2000Hz～2400Hz范圍內，切向電磁力對減速器表面的聲壓級貢獻較大，有13dB左右的差距。這與圖7減速器表面的振動加速度相對應。

圖9 聲壓頻譜圖

5 試驗研究

在半消聲室內對某集中驅動式純電動車動力總成進行振動噪聲試驗，測試動力總成表面振動加速度和輻射噪聲。測試系統示意圖如圖10所示。工況為轉速3000r/min，扭矩12N·m。

圖10 測試系統

從圖11電機表面振動加速度可以看出，一方面，由于減速器箱體以及齒輪嚙合力的影響，在某些頻域范圍內電機表面的切向加速度反而大于徑向加速度;另一方面，在2400Hz和3900Hz處存在峰值，這也與圖6的仿真結果較為吻合。由于存在齒輪嚙合激勵、軸承激勵、轉子不平衡等作用力，因此圖11中的結果不能在仿真中完全體現出來。圖12減速器軸承座處聲壓階次中，既有電磁激勵產生的第24、36階次，也有齒輪嚙合激勵產生的29和58階次;在1500r/min～5000r/min的整個轉速范圍內，2400Hz處的聲壓級都較高(如圖中紅圈所示)，這與上文提到的電磁切向力以及系統的固有頻率有關。

圖11 電機表面振動加速度頻譜圖

圖12 減速器軸承座處聲壓階次圖

6 結論

本文首先基于場路耦合對電機的電磁場進行分析，得到了電機穩態過程中的徑、切向電磁力。將動力總成穩態下電機定子受到的電磁力進行傅立葉分析，得到電磁力的諧波成分。在ANSYS Workbench中建立了電動車動力總成有限元模型，分析了切向電磁力對系統振動噪聲特性的影響，并進行了試驗研究。得到的主要結論如下:

1)減速器的存在使得系統的振型變得復雜，不再是典型的電機振型，而是既有單獨的電機振型，也有單獨的減速器振型，還有二者耦合的整體振型。

2)動力總成固有頻率分布密集，在電磁力的諧波頻率附近都存在著多個固有頻率，會對系統振動噪聲特性產生影響。

3)電機與減速器集成化后，切向電磁力產生了不可忽略的影響:振動方面，切向電磁力僅對電機表面的切向振動產生影響而對徑向振動沒有影響，但是從減速器表面的振動情況來看，切向電磁力在2000Hz和2400Hz處產生了明顯的振動;噪聲方面，切向電磁力對電機表面的聲壓級貢獻不大，只是在2400Hz左右有4dB的差別。而對減速器表面2000Hz～2400Hz范圍內的聲場貢獻較大。其原因在于，整體考慮電機與減速器后，系統的振動特性發生改變，切向電磁力會對減速器產生影響，而且切向電磁力在固有頻率2000Hz和2400Hz處存在諧波分量。