電驅(qū)動系統(tǒng)NVH系列：電機徑向力相位對振動噪聲的影響

聲學(xué)工程師小吳

2023年6月19日 15:45

瀏覽：4471 評論：1 收藏：3

電機徑向力相位對振動噪聲的影響

方江龍唐旭

懿朵科技

對于三合一或多合一電驅(qū)動系統(tǒng)，其常見NVH問題包括兩類：低速區(qū)由切向激勵激發(fā)總成彎扭模態(tài)引起的彎扭振動；高速區(qū)由零階徑向激勵與圓柱零階模態(tài)共振引起的徑向振動并輻射高頻噪聲。現(xiàn)有研究表明，轉(zhuǎn)子分段斜極對抑制齒諧波電勢、各階次諧波以及齒槽轉(zhuǎn)矩均有明顯作用，因而對改善低速區(qū)扭矩問題有顯著效果。與此同時，寶馬工程師研究對比了不同斜極形式下，零階激勵與結(jié)構(gòu)零階模態(tài)共振峰位置及幅值影響。揭示了徑向力相位對零階共振的影響。在該研究中認(rèn)為，轉(zhuǎn)子分段后不同段之間磁勢的相位差滿足如下關(guān)系：

并進(jìn)一步分析不同斜極形式與零階模態(tài)的共振形式及幅值差異。文中結(jié)果表明，V型斜極及ZigZag斜極將顯著改善零階模態(tài)共振問題。

作者近期研究結(jié)果表明，以V型斜極為例，假定不同段上零階激勵力幅值相同，相位相差180°，呼吸模態(tài)處噪聲峰值較無斜極降低量大于10dB。但由于開槽及飽和效應(yīng)，斜極后不同段上電磁力相位差并不滿足上述關(guān)系，進(jìn)而導(dǎo)致型斜極及ZigZag斜極并不能有效改善高速區(qū)NVH問題。由此說明應(yīng)該高速區(qū)振動噪聲峰值一方面取決于徑向電磁力幅值，另一方面不同段上電磁力的相位將對徑向振動的幅值產(chǎn)生顯著影響。

在電驅(qū)動系統(tǒng)早期開發(fā)或者NVH優(yōu)化時，為控制高速區(qū)徑向振動問題，通常對徑向電磁力幅值進(jìn)行控制或優(yōu)化。但如果忽略了不同段之間徑向力相位的影響，有可能導(dǎo)致優(yōu)化目標(biāo)不準(zhǔn)確,甚至預(yù)期降噪效果與實際降噪效果產(chǎn)生嚴(yán)重偏離。

本文借助仿真結(jié)果,首先對比理想狀態(tài)下即徑向力相位差與斜極角度滿足1式條件下，不同斜極形式對振動噪聲的影響；其次對比實際狀態(tài)下不同斜極形式對振動噪聲的影響；最后，提取某電磁方案在迭代優(yōu)化過程中不同段上徑向電磁力幅值及相位的變化，借此探討如何在優(yōu)化過程中考慮相位對振動響應(yīng)的影響，進(jìn)而得到更加準(zhǔn)確合理的優(yōu)化目標(biāo)。

1.零階結(jié)構(gòu)模態(tài)

本文計算中結(jié)構(gòu)前三階圓柱模態(tài)如下圖1.1所示，更高階零階模態(tài)超出了本文分析頻段范圍，在此不再展示。前三階零階模態(tài)頻率如表1.1所示。

圖1.1 零階圓柱模態(tài)振型

表1.1圓柱零階模態(tài)

2.理想狀態(tài)下電磁力幅值及相位

本文計算中選取某8極48槽電機為研究對象。由表1.1各階模態(tài)圓柱模態(tài)頻率可以，（48,0）階電磁力與0-1階圓柱模態(tài)，0-0階圓柱模態(tài)以及0-2階圓柱模態(tài)的共振轉(zhuǎn)速分別為：8250rpm,8510rpm及11755rpm。后續(xù)分析（48,0）階徑向電磁力時重點關(guān)注以上三個轉(zhuǎn)速區(qū)間。

2.1 不同斜極形式下電磁力幅值與相位

文中提取電磁力時采用2D電磁模型。忽略端部效應(yīng)，不同斜極形式電磁力處理方式如下：

在無斜極時，認(rèn)為電磁力在軸向不同截面處相同；
線性斜極（連續(xù)斜極）時，斜極角度3.75°，電磁力在軸向不同截面處徑向電磁力幅值相同，48階徑向力相位從鐵心一端到另一端線性增大180°；
V型斜極（4段），第一段與第二段轉(zhuǎn)子角度相差3.75度；48階電磁力在兩段轉(zhuǎn)子上幅值相同，相位階躍180°；
ZigZag斜極（6段），各段轉(zhuǎn)子初始角度為1.875-4.375-6.875-3.125-5.625-0.625，48階徑向電磁力在各段上幅值相同，轉(zhuǎn)子各段上徑向力相位與第一段的相位差為：143°，286°，71°，214°，-71°。

2.1.1 無斜極時電磁力幅值及相位

無斜極時，（48,0）徑向電磁力及在1000-12000rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間上的變化如下圖2.1所示：

圖2.1 無斜極時（48,0）徑向電磁力幅值及相位

2.1.2 線性斜極時電磁力在齒面上的分布

線性斜極時電磁力在齒面上的分布如下圖2.2所示：

圖2.2 線性斜極時徑向電磁力在齒面上的分布

2.1.3 V型斜極時不同段的電磁力幅值與相位

V型斜極時，不同段上（48,0）徑向電磁力幅值與相位如下圖2.3所示：

圖2.3 V型斜極時不同段上電磁力幅值及相位差

2.1.4 ZigZag斜極時不同段的電磁力幅值與相位

ZigZag型斜極時，不同段上（48,0）徑向電磁力幅值與相位如下圖2.4所示：

圖2.4 ZigZag斜極時不同段上電磁力幅值及相位差

2.2不同斜極下48階等效聲功率

不同斜極形式下48階在1000-12000rpm聲功率計算結(jié)果如下圖2.5所示。

圖2.5 不同斜極形式下48階聲功率

由上圖可以得到以下結(jié)論：

無斜極時，圓柱（0,0）階模態(tài)被激發(fā)，聲功率峰值94db；圓柱（0,1）及（0,2）階模態(tài)處無顯著峰值；
線性斜極時，圓柱（0,1）及（0,2）階模態(tài)被激發(fā)，其中（0,1）階模態(tài)處峰值與無斜極（0,0）階模態(tài)處峰值接近，（0,1）階模態(tài)處聲功率峰值80db；
V行斜極時，圓柱（0,0）及（0,2）及模態(tài)被激發(fā)，其中（0,2）階模態(tài)處聲功率幅值88db,大于（0,0）階模態(tài)處峰值78db;兩個共振峰處峰值高度均低于無斜極及線性斜極；
ZigZag斜極時，圓柱（0,1）及（0，2）階模態(tài)被激發(fā)，其中（0,1）階模態(tài)處峰值高度84db,(0,2)階模態(tài)處峰值高度80db; 兩個共振峰處峰值高度均低于無斜極及線性斜極。

不同斜極形式下96階在1000-12000rpm聲功率計算結(jié)果如下圖2.5所示。

電驅(qū)動系統(tǒng)NVH系列：電機徑向力相位對振動噪聲的影響的圖10

圖2.6 不同斜極形式下96階聲功率

從圖2.6可以看出，不同斜極形式激勵起的圓柱模態(tài)階次及峰值均有差異。由于其峰值高度較48階較低，在此不再贅述。

由以上結(jié)果可以看出，理想狀態(tài)下，無論V型斜極或ZigZag斜極，對降低（0,0）階模態(tài)處振動噪聲峰值均有顯著效果；同時需要關(guān)注（0,2）階模態(tài)被激發(fā)所產(chǎn)生的新的峰值。

3.實際激勵下不同斜極形式電磁力幅值、相位及聲功率

3.1 不同斜極形式下不同段上徑向電磁力幅值及相位對比

不同與章節(jié)2中電磁力幅值與相位結(jié)果，本章節(jié)中提取不同斜形式電磁力時，建立多段2D電磁模型，給定不同的轉(zhuǎn)子位置后，通過電磁有限元計算提取不同段上實際徑向電磁力的幅值與相位。有限元計算得到4段V行斜極與6段V行斜極下（斜極角度均為3.75°），不同段上的（48,0）徑向電磁力的幅值、相位如下圖3.1及3.2所示。

電驅(qū)動系統(tǒng)NVH系列：電機徑向力相位對振動噪聲的影響的圖11

圖3.1 4段V型時不同段上（48,0）徑向電磁力的幅值與相位

電驅(qū)動系統(tǒng)NVH系列：電機徑向力相位對振動噪聲的影響的圖12

圖3.2 6段V型時不同段上（48,0）徑向電磁力的幅值與相位

由圖3.1及3.2可看出，斜極狀態(tài)下，不同段的電磁力的幅值及相位均存在顯著差異，即不滿足式（1）條件。將不同段上的電磁力分解加載到定子齒面不同截面位置處，得到1000-12000rpm區(qū)間上等效聲功率對比結(jié)果如下圖3.3及3.4所示。

電驅(qū)動系統(tǒng)NVH系列：電機徑向力相位對振動噪聲的影響的圖13

圖3.3 48階等效聲功率

電驅(qū)動系統(tǒng)NVH系列：電機徑向力相位對振動噪聲的影響的圖14

圖3.4 96階等效聲功率

上圖中，sega Noskew及segb NoSkew分別表示單獨將第一段與第二段電磁力加載到電機結(jié)構(gòu)上得到的聲功率結(jié)果；sega V shape表示假定兩段上電磁力幅值相同，相位差3.75*h(h表示階次)時，得到的聲功率結(jié)果；Actual V shape表示將兩段轉(zhuǎn)子上實際的電磁力相位與幅值分別加載到子齒面不同截面位置處，得到等效聲功率。

從上圖3.3可以看出，加載不同段上V行斜極不同段上真實電磁力的幅值與相位后，48階共振峰值的位置及高度并未顯著降低；其峰值高度與理想V形斜極下存在顯著性差異（>10dB）。由此說明，在幅值一定條件下，通過設(shè)計斜極角度，改變不同段上的徑向力的相位差是降低0階模態(tài)共振的有效手段之一。但由于不同段徑向力的實際相位差與理論相位差存在顯著差異，導(dǎo)致斜極起不到應(yīng)有的降噪效果。本文中，重點關(guān)注48階噪聲變化趨勢，在此不再贅述96階在不同斜極形式下聲功率的變化。

電驅(qū)動系統(tǒng)NVH系列：電機徑向力相位對振動噪聲的影響的圖15

圖3.5 4段V行斜極（3.75°）兩段上理論相位差與實際相位差

4.迭代過程中不同段上徑向力幅值及相位的變化

如上所示，在幅值一定條件下，通過設(shè)計斜極角度，改變不同段上的徑向力的相位差是降低0階模態(tài)共振的有效手段之一。但由于不同段徑向力的實際相位差與理論相位差存在顯著差異，導(dǎo)致斜極起不到應(yīng)有的降噪效果。以某4段V型斜極電磁方案迭代優(yōu)化中間結(jié)果為例，迭代過程中不同段上的電磁力幅值、相位及徑向力相位差變化分別如下圖4.1，圖4.2及圖4.3所示。

電驅(qū)動系統(tǒng)NVH系列：電機徑向力相位對振動噪聲的影響的圖16

圖4.1 迭代過程中不同段徑向電磁力幅值變化

電驅(qū)動系統(tǒng)NVH系列：電機徑向力相位對振動噪聲的影響的圖17

圖4.2 迭代過程中不同段徑向電磁力相位變化

電驅(qū)動系統(tǒng)NVH系列：電機徑向力相位對振動噪聲的影響的圖18

圖4.3 迭代過程中不同段徑向電磁力相位差變化

由上圖結(jié)果可以看出，迭代過程中，電磁力幅值、相位及不同段之間電磁力的相位差均均在較大范圍內(nèi)波動。在對48階電磁噪聲進(jìn)行優(yōu)化時，除了可以對電磁力幅值進(jìn)行優(yōu)化，也可以對不同段上電磁力的相位進(jìn)行優(yōu)化。但通常，在進(jìn)行電磁力幅值優(yōu)化時，會影響不同段的相位差；在進(jìn)行電磁力相位優(yōu)化時，電磁力幅值同樣會發(fā)生改變。那么，在同時進(jìn)行電磁幅值與相位優(yōu)化時，如何建立幅值、相位與振動噪聲響應(yīng)之間的目標(biāo)函數(shù)是另一個值得探討的問題。以下圖為例，假定不同段上電磁力幅值相同，改變不同段之間徑向力的相位差，得到不同相位差下電機48階輻射聲功率如下。