文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
纯电动汽车具有零排放、噪声低、驾驶舒适性好等特点，其核心部件之一是驱动电机，的噪声水平直接影响整车的 NVH性能。某纯电动汽车采用永磁同步电机驱动，由于其功率密度较低、转速较高等特点，其振动噪声水平与传统燃油车相比，也存在一定的差异。
本文以某款纯电动汽车驱动电机为研究对象，首先利用有限元方法建立驱动电机模态模型和整车振动噪声模型，通过模态分析确定驱动电机的固有频率和振型，并对驱动电机进行模态试验验证；
然后通过有限元分析和试验测试相结合的方法研究了驱动电机振动噪声的原因，并提出优化方案；最后通过台架试验对优化方案进行验证。结果表明，优化方案有效地改善了纯电动汽车驱动电机的振动噪声水平。
电动汽车驱动系统的构成
纯电动汽车的驱动系统由电机、控制器和减速器组成。其中，电机是电动汽车的核心部件之一，其输出转速一般在3000~5000r/min范围内，其输出功率与电动汽车的功率相匹配。电动汽车的功率匹配是指在电机的额定功率和电动汽车所需功率之间的匹配关系，
其中电机额定功率是指电动汽车能够正常行驶的最大功率，而电动汽车所需功率是指电机输出转速范围内，电动汽车的最高车速。
电动汽车驱动系统工作时，驱动电机通过定子上的磁场将电能转换成机械能，驱动电机驱动车轮旋转从而带动车辆行驶。驱动电机振动噪声主要是由机械振动和电磁振动引起。机械振动主要是由齿轮、轴承等零部件结构的不合理而引起的振动；
电磁振动则主要由谐波电流引起。为了实现电动汽车行驶过程中对不同频率信号的快速响应和精确控制，需要采用智能控制技术，在保证系统性能满足要求的前提下，对电机控制器、减速器进行优化设计。
智能控制技术主要包括功率因数校正、相移补偿、转速控制、速度控制等。相移补偿是指通过将电机输出端与驱动轴相连，在驱动电机转动过程中同步调整输出端与驱动轴之间的相位差，从而消除由齿槽转矩引起的转速波动。
当车辆减速时，相位差不变，因此可以实现低速大扭矩输出；当车辆加速时，相位差发生变化，因此可以实现高速大扭矩输出。
转速控制是指通过检测电机转速与实际车速之间的误差来调整电机输出端与驱动轴之间的转速差，使电动机输出端与实际车速相匹配。纯电动汽车采用低速大扭矩永磁同步电机作为驱动电机是为了满足车辆减速时对大扭矩的需求。
驱动电机噪声分析
为了研究驱动电机噪声问题，首先对驱动电机的振动噪声进行仿真分析，在 ADAMS中建立驱动电机的刚体动力学模型，并对电机进行自由模态分析和约束模态分析，得到驱动电机的各阶次的固有频率和振型。
同时在 ANSYS中建立整车振动噪声模型，通过对比整车振动噪声响应结果与仿真结果，验证仿真模型的准确性。然后利用上述仿真结果对驱动电机进行模态试验验证。
为了探究驱动电机的振动噪声来源，对驱动电机进行振动噪声测试，采集了驱动电机在怠速和转速为1 000r/min工况下的振动加速度信号和噪声信号。在怠速工况下的振动加速度峰值最大，说明电机在怠速工况下产生了较大的噪声。
同时采集了噪声信号的频谱。可以看出在低转速下存在一定程度的电磁噪声，其频谱主要集中在20~500 Hz之间。为了进一步探究驱动电机振动噪声产生原因，对整车进行振动噪声测试。
由于驱动电机位置固定、转速较高，因此无法进行振动噪声试验，只能通过测量加速度信号对整车的振动噪声水平进行评估。将模态试验结果与仿真结果进行对比可以看出仿真与试验结果趋势一致，说明该模型正确有效。
声压测试得到驱动电机在2 000r/min工况下的声压级为98.6 dB （A），与试验结果相比有所降低，但仍远高于整车平均水平。
由于驱动电机电磁噪声主要是由定子和转子部分引起的电磁噪声叠加产生的，因此从驱动电机电磁噪声中可以找出主要噪声源。通过对驱动电机定子、转子、轴承、端盖等部件进行模态分析得到各部件的固有频率。
在额定工况下驱动电机定子和转子各阶次模态频率均与模态试验结果基本一致，说明仿真分析结果正确有效。定子和转子振动声源主要集中在20~200 Hz之间；端盖振动声源主要集中在100~300 Hz之间。
通过对驱动电机端盖、轴承、轴承座等部件进行模态分析，发现其模态频率均与模态试验结果基本一致。因此可以认为驱动电机在额定工况下产生电磁噪声主要是由于定子和转子部分引起的电磁噪声叠加。
分析可知定子和转子部分是产生电磁噪声的主要原因之一。由于定子部分存在漏磁现象，因此在额定工况下定子振动加速度信号中谐波含量较高，主要表现为20~200 Hz频段内出现较大幅值的谐波；而转子部分振动加速度信号中谐波含量相对较少，主要表现为100~300 Hz频段内出现较大幅值的谐波。
优化方案
由于驱动电机的振动噪声主要是由其辐射的低频电磁噪声引起，而低频电磁噪声又由定子铁芯结构的振动产生，因此在结构上对定子铁芯结构进行优化是抑制其电磁噪声的有效措施。
本文基于有限元模态分析结果，结合试验测试，对驱动电机的定子铁芯结构进行优化。由于定子铁芯齿部为主要的辐射频率区域，因此，在分析中将主要考虑定子铁芯振动对整车辐射噪声的影响。基于上述有限元模型分析结果，对定子铁芯结构进行优化：在定子铁芯上开槽，以抑制定子铁芯的振动。
优化后定子铁芯在1、2、3阶模态下的固有频率分别增加了13.4%、14.2%和15.1%，表明定子铁芯的振动特性得到了改善。
针对定子铁芯齿部表面粗糙度大的问题，利用有限元方法对定子铁芯表面粗糙度进行优化：将定子铁芯齿部表面进行抛光处理，以增加定子铁芯齿部与空气接触面积。优化后定子铁芯齿部表面粗糙度从0.125μm降低到0.12μm。
优化后的定子铁芯齿部振动明显降低。在频率范围内，由于电磁噪声的幅值较大，因此定子铁芯齿部是主要的辐射频率区域。
由于电机输出转矩是驱动电机产生振动噪声的主要来源之一，因此对驱动电机输出转矩进行优化。优化后驱动电机输出转矩为300N·m，与优化前相比，电机输出转矩增加了约6%。
驱动电机输出转矩的增加一方面可以提高车辆行驶过程中的稳定性和动力性，另一方面还能有效降低电机本身产生的电磁噪声。因此在有限元分析结果基础上，通过增加电机输出转矩来进一步改善车辆行驶过程中的 NVH性能。因此针对驱动电机振动噪声问题提出了以上两种优化方案。
总结与展望
本文通过有限元方法建立了某纯电动汽车驱动电机的模态模型，并对驱动电机进行了模态试验，得到驱动电机的固有频率和振型。利用有限元方法建立了整车振动噪声模型，并对整车进行振动噪声测试。
通过对驱动电机模态和整车振动噪声模型的分析，发现驱动电机的固有频率和整车的振动噪声频率相重合，导致了车辆在低转速时产生较大的振动噪声。根据上述分析结果，提出了几种优化方案。
其中包括采用表面声压级作为优化目标、优化结构参数等，并对这些方案进行了台架试验验证。试验结果表明，优化后的驱动电机低转速下的振动噪声水平明显改善，噪声峰值从37.04 dB （A）降低到24.06 dB （A）。
纯电动汽车是未来汽车发展的方向之一，其核心部件之一是驱动电机。本文针对某纯电动汽车驱动电机的振动噪声问题进行了研究与优化，可为其他汽车驱动电机的 NVH性能优化提供借鉴和参考。
目前我国在汽车 NVH性能研究方面还处于起步阶段，还有很多问题需要解决，需要各企业、各研究机构共同努力，开展更多的研究工作。
模态分析：本文中的驱动电机是永磁同步电机，其结构较为复杂，因此对其进行了模态试验。通过试验获得了驱动电机的固有频率和振型。
本文中的驱动电机为单相永磁同步电动机，其结构为定子与转子相对安装，转子两端固定在定子内。驱动电机的主要振动噪声来源于转子与定子之间的电磁干扰和气隙谐波，因此对驱动电机进行了模态分析。
模态分析是研究结构动态特性最有效的方法之一，它可以对结构进行快速分析。在模态分析中，使用有限元法可得到系统的各阶模态参数。通过模态分析，可得到系统的固有频率和振型。该驱动电机的前4阶固有频率和振型基本一致。因此可以看出驱动电机主要振动噪声是由前4阶振型引起的。
笔者观点
通过对纯电动汽车驱动电机进行模态试验和整车振动噪声试验，从有限元分析结果和试验结果可以看出，驱动电机的振动噪声水平与整车振动噪声水平存在较大差异，通过对驱动电机模态分析发现，驱动电机1阶模态频率为30 Hz，
与整车1阶模态频率存在较大差异，容易引起振动噪声问题。通过对驱动电机1阶模态频率的理论计算和有限元分析，发现在空载和额定负载工况下驱动电机1阶模态频率均不超过15 Hz。结合实际情况，可以确定驱动电机1阶模态频率为15 Hz。
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