車內嘯叫的案例
【干貨】純電動汽車永磁同步電機引起車內嘯叫的分析及優化！
文章以一款純電動車型為例，重點講述通過測試排查減速能量回收車內嘯叫問題，確認驅動電機24階、48階激勵通過結構和空氣傳遞到車內，引起車內中高頻嘯叫聲，最終優化驅動電機定子繞組得以改善，達到優化車內噪聲的目的，為純電動汽車NVH性能開發和優化提供參考與借鑒。
關鍵詞：純電動汽車；驅動電機；能量回收；嘯叫
前言
隨著世界環境問題嚴峻化、國內汽車排放標準嚴格化，新能源電動汽車作為一種使用電能作為驅動能源的現代交通工具，將作為全球汽車工業當前和未來發展的重點。純電動汽車使用電機作為動力源，是驅動整車行駛的核心部件。而永磁同步電機[1]（PMSM）因具有高功率密度、高效率、良好的轉矩特性，以及結構簡單、體積小、噪聲振動低等特點，是目前純電動汽車的主流選擇。驅動電機轉矩波動[2-3]將直接影響到車內噪聲振動舒適性。本文以某純電動汽車開發過程中在減速能量回收工況車內電磁嘯叫聲的優化過程為例，考慮了驅動電機高階諧頻激勵對整車NVH性能的影響，并對電機定子繞組進行優化，從而達到消除車內高頻嘯叫聲的目的，旨在為純電動汽車NVH性能開發和優化提供參考與借鑒。
1 問題描述
該純電動車型搭載的電驅動系統包含永磁同步電機、單速比減速器以及三合一控制器，布置方式采用前置前驅，電機轉子為8磁極V型，定子為48槽單層繞組結構。在減速能量回收工況，電機轉速由3500rpm（轉/分鐘）降到1300rpm期間，主觀評價車內有明顯高頻嘯叫聲。對該工況下車內噪聲進行測試，結果如圖1-2所示。
圖1 減速能量回收工況車內噪聲（優化前）
圖2 減速能量回收工況車內噪聲突出率（優化前）
2 診斷分析
對車內噪聲及突出率彩圖進行階次切片分析，如圖3-4。
展開 純電動汽車永磁同步電機引起車內嘯叫的分析及優化
文章以一款純電動車型為例，重點講述通過測試排查減速能量回收車內嘯叫問題，確認驅動電機24階、48階激勵通過結構和空氣傳遞到車內，引起車內中高頻嘯叫聲，最終優化驅動電機定子繞組得以改善，達到優化車內噪聲的目的，為純電動汽車NVH性能開發和優化提供參考與借鑒。
作者信息：
姓名：朱建，鄭濤，呂運川
單位：眾泰汽車工程研究院
前言
隨著世界環境問題嚴峻化、國內汽車排放標準嚴格化，新能源電動汽車作為一種使用電能作為驅動能源的現代交通工具，將作為全球汽車工業當前和未來發展的重點。純電動汽車使用電機作為動力源，是驅動整車行駛的核心部件。而永磁同步電機（PMSM）因具有高功率密度、高效率、良好的轉矩特性，以及結構簡單、體積小、噪聲振動低等特點，是目前純電動汽車的主流選擇。驅動電機轉矩波動將直接影響到車內噪聲振動舒適性。本文以某純電動汽車開發過程中在減速能量回收工況車內電磁嘯叫聲的優化過程為例，考慮了驅動電機高階諧頻激勵對整車NVH性能的影響，并對電機定子繞組進行優化，從而達到消除車內高頻嘯叫聲的目的，旨在為純電動汽車NVH性能開發和優化提供參考與借鑒。
1 問題描述
該純電動車型搭載的電驅動系統包含永磁同步電機、單速比減速器以及三合一控制器，布置方式采用前置前驅，電機轉子為8磁極V型，定子為48槽單層繞組結構。在減速能量回收工況，電機轉速由3500rpm（轉/分鐘）降到1300rpm期間，主觀評價車內有明顯高頻嘯叫聲。對該工況下車內噪聲進行測試，結果如圖1-2所示。
圖1 減速能量回收工況車內噪聲（優化前）
圖2 減速能量回收工況車內噪聲突出率（優化前）
2 診斷分析
對車內噪聲及突出率彩圖進行階次切片分析，如圖3-4。
展開 基于齒輪修型的減速器嘯叫優化
由于失去了發動機的屏蔽效應，電動車的風噪、路噪、電子附件噪聲被凸顯出來，特別是減速器的嘯叫聲。減速器嘯叫聲雖然在聲壓級數值上比較低，但它屬于高頻噪聲，其頻率范圍一般分布在700～4000Hz。高頻嘯叫噪聲會讓人感到煩躁而難以接受，人耳對其非常敏感，嚴重的影響車內成員的舒適性和形勢品質，所以必須對其進行優化，提高車內NVH水平。
基于齒輪修型的減速器嘯叫優化
由于失去了發動機的屏蔽效應，電動車的風噪、路噪、電子附件噪聲被凸顯出來，特別是減速器的嘯叫聲。減速器嘯叫聲雖然在聲壓級數值上比較低，但它屬于高頻噪聲，其頻率范圍一般分布在700～4000Hz。高頻嘯叫噪聲會讓人感到煩躁而難以接受，人耳對其非常敏感，嚴重的影響車內成員的舒適性和形勢品質，所以必須對其進行優化，提高車內NVH水平。
基于齒輪修型的減速器嘯叫優化
由于失去了發動機的屏蔽效應，電動車的風噪、路噪、電子附件噪聲被凸顯出來，特別是減速器的嘯叫聲。減速器嘯叫聲雖然在聲壓級數值上比較低，但它屬于高頻噪聲，其頻率范圍一般分布在700～4000Hz。高頻嘯叫噪聲會讓人感到煩躁而難以接受，人耳對其非常敏感，嚴重的影響車內成員的舒適性和形勢品質，所以必須對其進行優化，提高車內NVH水平。
純電動汽車電機嘯叫噪聲優化
作者：李彬，鄧建交丨中國第一汽車股份有限公司
摘 要：
純電動汽車在整車NVH性能開發過程中，驅動電機存在8階嘯叫噪聲，嚴重影響整車NVH性能品質。通過整車試驗、主觀評價及CAE仿真分析手段，驗證出空氣傳播為車內8階嘯叫噪聲大的主要路徑，鎖定驅動電機逆變器殼體共振及電機懸置支架振動是造成8階嘯叫噪聲大的關鍵因素。
本文作者基于某純電動汽車電機嘯叫噪聲表現，通過整車測試評價及電機本體CAE仿真分析的手段提出結構改進方案，優化后電機嘯叫噪聲降低明顯，對純電動汽車電機嘯叫噪聲優化提供了一定的依據及相關經驗。
1 電機8階嘯叫問題
1.1 整車電機8階嘯叫噪聲
根據整車測試數據，加速工況車內電機8階嘯叫噪聲凸顯，測試結果如圖1所示。對應主觀評價結果為車速在60km/h～80km/h范圍，車內存在明顯電機嘯叫噪聲，主觀評分6分。
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1 電機8階嘯叫問題
1.1 整車電機8階嘯叫噪聲
根據整車測試數據，加速工況車內電機8階嘯叫噪聲凸顯，測試結果如圖1所示。對應主觀評價結果為車速在60km/h～80km/h范圍，車內存在明顯電機嘯叫噪聲，主觀評分6分。提取電機8階噪聲階次聲壓級曲線，峰值噪聲聲壓級在55dB（A）左右，對應問題轉速段為3000rpm～5000rpm。
圖1 車內前排噪聲結果
1.2 電機8階激勵源分析
此車型選用的驅動電機為轉子磁極數為8極，定子槽數為48槽的永磁同步電機，電機8階嘯叫噪聲來源主要為電機轉子不平衡量激勵導致的機械噪聲。
電機臺架測試結果如圖2所示。從測試結果中看，臺架近場1m噪聲colormap中，電機8階噪聲凸顯，特別是在電機高轉速段，這表明電機殼體向外輻射8階噪聲明顯；臺架殼體振動colormap中，電機8階振動全轉速段均很凸顯，存在電機8階振動通過結構傳遞的方式導致車內8階噪聲大的可能性。
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作者：李彬，鄧建交丨中國第一汽車股份有限公司
摘 要：
純電動汽車在整車NVH性能開發過程中，驅動電機存在8階嘯叫噪聲，嚴重影響整車NVH性能品質。通過整車試驗、主觀評價及CAE仿真分析手段，驗證出空氣傳播為車內8階嘯叫噪聲大的主要路徑，鎖定驅動電機逆變器殼體共振及電機懸置支架振動是造成8階嘯叫噪聲大的關鍵因素。
本文作者基于某純電動汽車電機嘯叫噪聲表現，通過整車測試評價及電機本體CAE仿真分析的手段提出結構改進方案，優化后電機嘯叫噪聲降低明顯，對純電動汽車電機嘯叫噪聲優化提供了一定的依據及相關經驗。
1 電機8階嘯叫問題
1.1 整車電機8階嘯叫噪聲
根據整車測試數據，加速工況車內電機8階嘯叫噪聲凸顯，測試結果如圖1所示。對應主觀評價結果為車速在60km/h～80km/h范圍，車內存在明顯電機嘯叫噪聲，主觀評分6分。
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1.電機8階嘯叫問題
1.1整車電機8階嘯叫噪聲
根據整車測試數據，加速工況車內電機8階嘯叫噪聲凸顯，測試結果如圖1所示。對應主觀評價結果為車速在60km/h～80km/h范圍，車內存在明顯電機嘯叫噪聲，主觀評分6分。提取電機8階噪聲階次聲壓級曲線，峰值噪聲聲壓級在55dB（A）左右，對應問題轉速段為3000rpm～5000rpm。
圖1 車內前排噪聲結果
1.2電機8階激勵源分析
此車型選用的驅動電機為轉子磁極數為8極，定子槽數為48槽的永磁同步電機，電機8階嘯叫噪聲來源主要為電機轉子不平衡量激勵導致的機械噪聲。
電機臺架測試結果如圖2所示。從測試結果中看，臺架近場1m噪聲colormap中，電機8階噪聲凸顯，特別是在電機高轉速段，這表明電機殼體向外輻射8階噪聲明顯；臺架殼體振動colormap中，電機8階振動全轉速段均很凸顯，存在電機8階振動通過結構傳遞的方式導致車內8階噪聲大的可能性。
圖2 電機臺架測試結果
2.電機8階噪聲傳遞路徑分析
電機8階嘯叫噪聲傳遞路徑主要為以電驅總成懸置隔振為主的結構傳遞和穿透車身前圍隔吸聲措施的空氣傳遞兩種路徑，電機8階嘯叫噪聲傳遞過程如圖3所示:
圖3 電機8階嘯叫噪聲傳遞路徑圖
2.1電驅系統懸置隔振分析
通過整車測試，對電驅系統懸置隔振特性進行分析，包括左、右、后懸置對電驅系統8階激勵的隔振性能，如圖4所示。在3000rpm～5000rpm問題轉速段，電驅系統三個懸置對電機8階振動激勵隔振效果較好，隔振率均在20dB左右。
展開 某純電動汽車驅動系統24階振動噪聲的分析與優化
文獻［6］基于振動噪聲傳遞路徑分析，使用對電機及減速器進行聲學包裹的方法實際驗證對改善車內高頻嘯叫有明顯效果。文獻［7］利用解析法和有限元法對變頻器供電時永磁電機的氣隙磁場、電磁激振力和噪聲的主要頻率進行分析得出：永磁電機在變頻器供電時定子的高次時間諧波電流在氣隙磁場中產生頻率與變頻器開關頻率相關的空間氣隙磁場諧波，其振動噪聲頻率主要分布在開關頻率及其倍數附近。
1.1 來源
當前純電動汽車越來越多地采用水冷驅動電機系統，取消散熱風扇，也就沒有了由于風扇轉動使空氣流動、撞擊、摩擦而產生的空氣噪聲，主要表現在以下幾個方面：①驅動電機電磁噪聲，驅動電機作為聲源，電磁噪聲是由電機本身的結構特性、氣隙磁場、電磁力波、電機控制器驅動電機帶負載時電流的急速增大或減小等因素造成的。另外驅動電機的電磁噪聲也受電機控制器的控制策略、IGBT的開關頻率的影響。②傳動系統機械噪聲，傳動系統機械噪聲的主要來源是齒輪嚙合噪聲、花鍵嚙合噪聲、驅動電機轉子不平衡、軸承噪聲、裝配偏心產生的噪聲等。③扭轉振動和噪聲，經常發生在車輛加速或減速的過程中某一速度段車輛有抖動噪聲，典型的表現為加速共振特性，這是由于當驅動電機裝配在整車上時，驅動電機與減速器、驅動電機與懸置、傳動軸等驅動系統零部件組合為一體形成新的模態，驅動電機的輸出扭矩激勵頻率是隨速度變化的，當同動力總成傳動系統固有頻率接近時，產生共振，強化了局部的振動噪聲。
展開 某純電動汽車驅動系統24階振動噪聲的分析與優化
文獻［6］基于振動噪聲傳遞路徑分析，使用對電機及減速器進行聲學包裹的方法實際驗證對改善車內高頻嘯叫有明顯效果。文獻［7］利用解析法和有限元法對變頻器供電時永磁電機的氣隙磁場、電磁激振力和噪聲的主要頻率進行分析得出：永磁電機在變頻器供電時定子的高次時間諧波電流在氣隙磁場中產生頻率與變頻器開關頻率相關的空間氣隙磁場諧波，其振動噪聲頻率主要分布在開關頻率及其倍數附近。
1.1 來源
當前純電動汽車越來越多地采用水冷驅動電機系統，取消散熱風扇，也就沒有了由于風扇轉動使空氣流動、撞擊、摩擦而產生的空氣噪聲，主要表現在以下幾個方面：①驅動電機電磁噪聲，驅動電機作為聲源，電磁噪聲是由電機本身的結構特性、氣隙磁場、電磁力波、電機控制器驅動電機帶負載時電流的急速增大或減小等因素造成的。另外驅動電機的電磁噪聲也受電機控制器的控制策略、IGBT的開關頻率的影響。②傳動系統機械噪聲，傳動系統機械噪聲的主要來源是齒輪嚙合噪聲、花鍵嚙合噪聲、驅動電機轉子不平衡、軸承噪聲、裝配偏心產生的噪聲等。③扭轉振動和噪聲，經常發生在車輛加速或減速的過程中某一速度段車輛有抖動噪聲，典型的表現為加速共振特性，這是由于當驅動電機裝配在整車上時，驅動電機與減速器、驅動電機與懸置、傳動軸等驅動系統零部件組合為一體形成新的模態，驅動電機的輸出扭矩激勵頻率是隨速度變化的，當同動力總成傳動系統固有頻率接近時，產生共振，強化了局部的振動噪聲。
展開 
某純電動汽車驅動系統24階振動噪聲的分析與優化
文獻［6］基于振動噪聲傳遞路徑分析，使用對電機及減速器進行聲學包裹的方法實際驗證對改善車內高頻嘯叫有明顯效果。文獻［7］利用解析法和有限元法對變頻器供電時永磁電機的氣隙磁場、電磁激振力和噪聲的主要頻率進行分析得出：永磁電機在變頻器供電時定子的高次時間諧波電流在氣隙磁場中產生頻率與變頻器開關頻率相關的空間氣隙磁場諧波，其振動噪聲頻率主要分布在開關頻率及其倍數附近。
1.1 來源
當前純電動汽車越來越多地采用水冷驅動電機系統，取消散熱風扇，也就沒有了由于風扇轉動使空氣流動、撞擊、摩擦而產生的空氣噪聲，主要表現在以下幾個方面：①驅動電機電磁噪聲，驅動電機作為聲源，電磁噪聲是由電機本身的結構特性、氣隙磁場、電磁力波、電機控制器驅動電機帶負載時電流的急速增大或減小等因素造成的。另外驅動電機的電磁噪聲也受電機控制器的控制策略、IGBT的開關頻率的影響。②傳動系統機械噪聲，傳動系統機械噪聲的主要來源是齒輪嚙合噪聲、花鍵嚙合噪聲、驅動電機轉子不平衡、軸承噪聲、裝配偏心產生的噪聲等。③扭轉振動和噪聲，經常發生在車輛加速或減速的過程中某一速度段車輛有抖動噪聲，典型的表現為加速共振特性，這是由于當驅動電機裝配在整車上時，驅動電機與減速器、驅動電機與懸置、傳動軸等驅動系統零部件組合為一體形成新的模態，驅動電機的輸出扭矩激勵頻率是隨速度變化的，當同動力總成傳動系統固有頻率接近時，產生共振，強化了局部的振動噪聲。
展開 純電動汽車電機嘯叫噪聲優化
作者：李彬，鄧建交丨中國一汽
本文基于某純電動汽車電機嘯叫噪聲表現，通過整車測試評價及電機本體CAE仿真分析的手段提出結構改進方案，優化后電機嘯叫噪聲降低明顯，對純電動汽車電機嘯叫噪聲優化提供了一定的依據及相關經驗。
1 電機8階嘯叫問題
1.1 整車電機8階嘯叫噪聲
根據整車測試數據，加速工況車內電機8階嘯叫噪聲凸顯，測試結果如圖1所示。對應主觀評價結果為車速在60km/h～80km/h范圍，車內存在明顯電機嘯叫噪聲，主觀評分6分。
展開 電驅動NVH特點以及研究現狀
圖2
三合一產品齒輪噪聲階次頻譜分析圖
相對于傳統變速器，電動車的減速器齒輪傳遞更大的扭矩，更高的工作轉速區，使得齒輪嚙合噪聲變現出更高的頻率或階次（1000-4000Hz 以上），極易在車內產生齒輪嘯叫。
1.3 動車總成懸置系統NVH
相比于傳統車，電機懸置系統的邊界條件有明顯變化：
電驅總成沒有發動機的怠速，工作轉速從0 rpm 開始。電機轉速高，最高頻率遠大于發動機激勵頻率。沒有發動機噪聲的掩蓋，高速減速器齒輪噪聲將在動力總成噪聲中突顯。懸置隔振的主要頻率區重點關注高頻段區域。
除了考慮懸置的隔振性能，也要需要考慮其抗扭性能。尤其對于電動汽車而主，其電機扭矩大（1000 rpm 即可輸出高達250-350Nm），響應快，對整車的瞬態沖擊更大，在TIP IN/OUT 工況下很容易造成整車前后抖動。
電動車懸置系統的輸入激勵、隔振頻率區等邊界條件和NVH 指標要求與傳動車有明顯變化，不當的懸置設計方案會加劇振動傳遞。
因此本研究就針對電驅動現有的問題進行了進一步的設計與改進，進而得到性能優異的電驅動裝置。
正文
從動力總成角度概括說明：動力總成從傳統內燃機更換為電驅動系統，總噪聲值變小；電機表面出高頻尖叫聲；減速器齒輪嘯叫明顯；動總懸置高頻隔振能力差。電驅總成NVH 解決方案與應對措施 通常如下:
1）建立完善電驅系統NVH 開發流程，是產品性能管控和質量保障的關鍵。
展開 電流角對永磁同步電機開關頻率噪聲的影響
根據電機整車、臺架噪聲試驗數據的積累與分析，一般情況下，這些開關頻率噪聲幅值較大，較易在車內產生高頻嘯叫，影響駕乘感受。
圖4 電動汽車電機不同電流角噪聲測量頻譜
提取不同測試工況的f1±3f0、f1±f0頻率噪聲幅值進行綜合對比，如圖5所示。從圖5可以直觀看出：隨著電流角的增大，電機開關頻率諧波f1±3f0、f1±f0頻率噪聲幅值均呈下降趨勢，f1+f0頻率噪聲降低2.4 dB，f1-f0頻率噪聲降低3.6 dB，f1+3f0頻率噪聲降低1.1 dB，f1-3f0頻率噪聲降低4.4 dB。測試結果表明，電流角是影響電機開關頻率噪聲的重要因素之一，調整電流角可有效改善電機開關頻率噪聲。
圖5 電動汽車電機不同電流角開關頻率噪聲測量結果
在調整電流角進行噪聲測試的過程中，也同步記錄了電機轉矩數據，如圖6所示。從圖6可以看出，其他試驗條件不變，隨著電流角變大，電機轉矩有所下降。因此，調整電流角、降低開關頻率噪聲的方案還需要統籌考慮，需要兼顧電機的噪聲與電機性能。
圖6 電動汽車電機轉矩隨電流角變化曲線
4 結論
電動汽車電機的開關頻率噪聲幅值大、易被感知，一旦在車內出現，會嚴重影響駕乘人員的主觀感受。電機臺架噪聲測試結果表明，電流角是影響電機開關頻率噪聲的重要因素之一，增大電流角可以在不提高開關頻率、不增加功率損耗的情況下，有效降低開關頻率諧波分量噪聲。
展開 