電機-減速器
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電機-減速器的視頻教程
電機-減速器的實例教程
作者：
屈峰 劉棟良 李阿強 楊響攀丨杭州電子科技大學、臥龍電氣
摘要：針對電動汽車中的噪聲、振動與舒適性問題，對電動汽車電機-減速器組成的動力總成系統進行了振動與噪聲的研究。首先提出了一種綜合考慮電機-減速器總成系統的建模方法，并針對該模型進行了模態分析；根據實際需求設計了電機-減速器的基本參數，分析了使得電機與減速器振動與噪聲的主要激勵源；然后針對電磁激勵與機械激勵，對電機-減速器系統的影響進行了振動與噪聲分析；最后進行了多源激勵作用下，動力總成振動與噪聲特性的仿真與實驗驗證。
筆者將建立永磁同步電機與減速器的動力總成有限元模型，并對結構模態進行分析；然后分別對永磁同步電機電磁力特性與減速器齒輪傳動特性進行分析；最后通過施加電磁力與機械力，進行多物理場耦合振動噪聲分析，并通過實驗分析驗證考慮多源激勵的動力總成一體化建模的可行性。
1 動力總成建模與模態分析
1.1 動力總成系統結構建模
該動力總成系統由電動機產生轉速和轉矩，通過軸與減速器齒輪副將轉速與轉矩進一步轉化，因此，可以分成外殼系統與傳動系統兩個部分。
動力總成系統結構如圖1所示。
圖1 動力總成系統結構
1-電機端蓋；2-電機殼體；3-定子鐵心；4-轉子；5-電機與減速器連接面；6-減速器殼體；7-輸入軸；8-一級齒輪副；9-二級齒輪副；10-軸承；11-輸出軸
圖1中：1、2、3、5、6為動力總成外殼系統；4、7、8、11為傳動系統；10為軸承，用于殼體系統與傳動系統的連接，電機通過轉子帶動輸入軸，通過兩級齒輪副減低轉速增大轉矩。傳動系統由于存在轉矩脈動以及齒輪嚙合效應，通過軸承與殼體的連接直接將產生的振動作用在殼體系統上。
因此，該動力總成系統主要噪聲來源有：(1)殼體振動；(2)減速器齒輪嚙合與嘯叫。
展開 電驅橋總成一般包括電機、減速器、橋管、半軸等主要部件。考慮體積、成本和可靠性等因素，將電機與減速器同時集成在電驅橋上是目前的趨勢。
目前市場上的大多數電驅橋減速器為偏軸式（展開式）減速器，采用定軸式圓柱齒輪的兩級減速結構，其電機的轉子軸相對輸出軸（差速器）的中心線是偏置布置的（如圖1）。這種結構出現時間比較早，工藝相對成熟，但是無法解決電機偏置所帶來的問題：
圖1 采用偏軸式減速器的電驅橋結構圖
減速器的徑向尺寸較大，影響電動車輛的整車布置，特別是影響動力電池或電機控制器的安裝空間。
由于電機重量較大，電機偏置懸掛會導致橋體上的彈簧座板承受額外的傾覆力矩，導致電驅橋在車輛運行過程中出現低頻抖動，產生額外噪聲，影響駕駛舒適性。
電機軸與減速器輸入軸在進行花鍵耦合時，容易由于內外花鍵不同心而引起可靠性問題和NVH問題。
以上亟需解決的難題，關鍵點就在于減速器上。而采用同軸減速器結構的電驅橋，因其結構緊湊，在電動汽車上應用具有無可比擬的優勢，能較好地解決上述問題。
在現有技術中的同軸式電驅橋大部分為行星齒輪減速結構，這種結構能夠將徑向和軸向尺寸都控制的較好，是電驅橋中結構最緊湊的設計之一。但行星減速用的內齒圈制造難度大，而且行星齒輪需求數量多，總的成本高，在同樣動力下至少是普通定軸式齒輪兩倍以上的成本，所以不能夠很好的廣泛運用。
有鑒于此，某公司設計研發了一種采用定軸式圓柱齒輪作同軸減速器的電驅橋總成，這種結構讓電機總成和差速器總成實現了同軸居中，由于這兩部分合起來的重量在電驅橋上占比最大的，保證了重心基本居中。另外，定軸式齒輪的生產廠家比較多，工藝成熟且產量大。因此，這種同軸式電驅橋不僅解決了偏軸式電驅橋的上述缺點，又比行星式同軸橋具有更好成本優勢。
展開 試驗方法總結
新能源電動汽車用電機+減速器動力總成系統尚未形成具有指導意義的規范和標準，通過分析比較業內試驗方法，發現針對電機+減速器動力總成系統，業內均基于電機、減速器、新能源整車的國標或行標完成，其試驗內容都可大致統一分為三部分：
1) 電機性能試驗
2) 減速器性能試驗
3) 電機＋減速器總成動力性能試驗、可靠性試驗
電機性能試驗
依據《GB T 18488.2-2006 電動汽車電機及控制器第2部分試驗方法》中第7章電機轉矩-特性及效率測試開展電機性能相關試驗，主要包括以下試驗項目：
1) 轉矩精度試驗
2) 轉矩響應試驗
3) 轉速精度試驗
4) 轉速響應試驗
5) 堵轉試驗
6) 不同電壓等級驅動工況下轉矩/轉速特性及效率測試
7) 不同電壓等級制動工況下轉矩/轉速特性及效率測試
8) 最高工作轉速
減速器性能試驗
依據《QC/T 1022-2015純電動乘用車用減速器總成技術條件》的要求進行減速器試驗，主要包括以下試驗項目：
1) 減速器磨合試驗
2) 動態密封性能試驗
3) 溫升性能試驗
4) 高溫性能
5) 疲勞壽命試驗
6) 傳動效率試驗
7) 差速可靠性試驗
8) 高速性能試驗
9) 超速性能試驗
10) 靜扭強度試驗
電機＋減速器總成性能試驗
關于電機和減速器獨立本體性能的相關試驗方法均依據國標完成，在此不作闡述。
展開 電驅橋總成一般包括電機、減速器、橋管、半軸等主要部件。考慮體積、成本和可靠性等因素，將電機與減速器同時集成在電驅橋上是目前的趨勢。
目前市場上的大多數電驅橋減速器為偏軸式（展開式）減速器，采用定軸式圓柱齒輪的兩級減速結構，其電機的轉子軸相對輸出軸（差速器）的中心線是偏置布置的（如圖1）。這種結構出現時間比較早，工藝相對成熟，但是無法解決電機偏置所帶來的問題：
圖1 采用偏軸式減速器的電驅橋結構圖
減速器的徑向尺寸較大，影響電動車輛的整車布置，特別是影響動力電池或電機控制器的安裝空間。
由于電機重量較大，電機偏置懸掛會導致橋體上的彈簧座板承受額外的傾覆力矩，導致電驅橋在車輛運行過程中出現低頻抖動，產生額外噪聲，影響駕駛舒適性。
電機軸與減速器輸入軸在進行花鍵耦合時，容易由于內外花鍵不同心而引起可靠性問題和NVH問題。
以上亟需解決的難題，關鍵點就在于減速器上。而采用同軸減速器結構的電驅橋，因其結構緊湊，在電動汽車上應用具有無可比擬的優勢，能較好地解決上述問題。
在現有技術中的同軸式電驅橋大部分為行星齒輪減速結構，這種結構能夠將徑向和軸向尺寸都控制的較好，是電驅橋中結構最緊湊的設計之一。但行星減速用的內齒圈制造難度大，而且行星齒輪需求數量多，總的成本高，在同樣動力下至少是普通定軸式齒輪兩倍以上的成本，所以不能夠很好的廣泛運用。
有鑒于此，某公司設計研發了一種采用定軸式圓柱齒輪作同軸減速器的電驅橋總成，這種結構讓電機總成和差速器總成實現了同軸居中，由于這兩部分合起來的重量在電驅橋上占比最大的，保證了重心基本居中。另外，定軸式齒輪的生產廠家比較多，工藝成熟且產量大。因此，這種同軸式電驅橋不僅解決了偏軸式電驅橋的上述缺點，又比行星式同軸橋具有更好成本優勢。
展開 圖4 Moan的影響因子分析魚骨圖
在Moan的影響因子分析魚骨圖中，激勵源分析主要包含電機與減速器花鍵配合相位、尺寸鏈裝配公差
[6]、電機軸動不平衡、減速器一軸動不平衡和電驅總成模態分析；傳遞路徑分析主要包括減振器和后板簧兩條路徑；響應分析主要包括后地板模態分析。下文根據以上思路進行逐一分析和排查，本文受篇幅限制，僅對關鍵影響因子進行詳細分析。
2.2 源頭分析
2.2.1 電驅橋尺寸鏈裝配公差及電機軸、減速器一軸動不平衡診斷分析
1 階激勵主要與電驅橋裝配狀態下電機軸通過花鍵與減速器一軸匹配后的動不平衡量相關
[7]。該優化分析作了一個假設：電機軸與減速器一軸動不平衡量可等效為電驅橋總成動不平衡量。
圖5所示為電機與減速器尺寸鏈及軸系動平衡原始要求，通過手工方法將該電驅橋系統尺寸鏈公差和軸系動不平衡量縮小50 %，實車試驗證明Moan沒有受到明顯抑制，如圖6所示。
圖5 電驅橋尺寸鏈及軸系動不平衡初始要求
圖6 尺寸鏈公差及動平衡縮小50%后1階噪聲對比
2.2.2 電機與減速器花鍵配合相位影響分析
基于2.2.1 分析結果并圍繞降低電驅橋動不平衡量這一目標，多次調整電機軸與減速器一軸花鍵配合相位，如圖7 所示。圖中標紅點重合狀態標記為0 相位（主觀駕評為可接受狀態），互成180°標記為反相位。
圖7 電機與減速器花鍵配合相位
由圖8、圖9 分析可得，通過調整電機與減速器花鍵配合相位，可將Moan 噪聲抑制到可接受狀態。
展開 
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電機與車輛測試：在新能源汽車等領域，用于固定電機、減速器、動力總成等測試設備，保證測試過程中的穩定性和同軸度。
選型時需要關注的關鍵參數
精度等級：通常分為0、1、2、3級。0級精度比較高，多用于精和密實驗室；1級和2級適用于精和密檢測和裝配；3級則多用于基礎的劃線、焊接等工作。請根據您的實際用途選擇合適的等級。
材質與處理：主流材質為HT200-300灰口鑄鐵。
匹配行星齒輪減速機與伺服電機轉速需要根據負載特性和應用需求計算減速比。首先確定伺服電機的額定轉速和負載轉矩，然后通過計算所需的輸出轉速，選擇合適的減速器。確保減速比能滿足負載要求，同時避免過速和過載，從而實現高效平穩的傳動。定期評估動態性能，以確保最佳匹配。
行星齒輪減速機匹配伺服電機轉速，主要是通過確定合適的減速比來實現，具體方法如下：
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10大展示板塊各有側重、相輔相成：核心部件專區聚焦伺服電機、精密減速器、靈巧手、視覺感知模塊等“卡脖子”領域的國產化創新成果，展現國內產業自主可控的突破進展；人形機器人整機專區匯聚國內外頭部企業，展示具備工業作業、家庭服務、特種應用等不同功能的人形機器人產品，現場演繹機器人在實際場景中的實操能力；場景應用專區則打造工業制造、醫療康養、智慧物流、應急救援等實景體驗場景，讓觀眾直觀感受具身智能技術如何賦能千行百業
雙橋式電機驅動是指電路中使用兩個電路橋來控制電機的旋轉方向和速度的一種驅動方式。雙橋驅動電路通常由四個電子開關組成，這四個開關分別與電機的兩個端子相連。通過控制這四個開關的通斷狀態，可以改變電機中的電流方向，從而實現電機的正轉和反轉。同時，通過調節開關的狀態，還可以改變電機的電源電壓和電流，實現調速功能。
主要特點：
雙向控制：能夠滿足電機正、反向旋轉的需求。
調速功能：通過控制電子開關的狀態
典型應用場景：
大型電機與減速器測試：功率100kW以上的重型電機、礦山減速器在出廠測試前需要移動和定和位，重型地軌承載能力可達50-100噸。
裝配基準：用于電機、減速器等中小型旋轉設備的裝配，保證轉子、定子等部件的同軸度。
試驗與測試：作為測試臺底座，為微型電機測試、密封性能試驗等提供穩定平臺。
使用與維護要點：
安裝后需定期復檢精度（建議半年一次，之后每年一次）。
使用前清理表面，避免工件與工作面劇烈碰撞，工件重量不得超過額定載荷。
長期不用應做好防銹處理，精度降低后可通過刮研工藝恢復。
動態適配兼容性測試
實測電機動態負載下的瞬時響應能力，同步驗證電機與控制器、減速器的匹配適配度，核心應用于新能源整車驅動系統、精和密傳動設備聯合測試。
關鍵零部件專用平臺
測試對象：伺服電機、減速器、電池等機器人關鍵零部件 。
主要特點：除了電機本身，還集成對減速器（背隙、剛度）、電池等部件的綜合測試能力 。
行業應用實例：
科研機構：中國科學院沈陽自動化研究所擁有伺服電機測試系統（比較大扭矩100Nm）和減速器測試系統（比較大加載10000Nm）。
雙通道H橋驅動器（用于電機控制）結構組成：其核心是兩個獨立的H橋電路。每個H橋由四個開關元件（通常是MOSFET）構成，分為上、下橋臂。電機連接在兩個橋臂的中點之間。雙通道設計意味著可以獨立控制兩個直流電機。
工作原理：
正轉/反轉：通過控制對角線上的一對開關管導通（如左上+右下），另一對關閉，來改變流過電機的電流方向，從而實現電機的正反轉。
調速：采用PWM（脈沖寬度調制）技術，通過快速開關
這背后是對核心硬件的極致追求：高功率密度伺服電機、精密減速器、高精度傳感器及穩定可靠的電子連接系統，共同構成了機器人與物理世界安全、靈活交互的基石。一個高達千億美元規模的新興市場藍圖正在展開。
03、低空經濟
隨著空域管理技術的突破和飛行器電動化、智能化趨勢的加速，以無人機和eVTOL（電動垂直起降飛行器）為代表的低空經濟正成為全球產業競爭的新賽道。
