为什么电动汽车电机振动噪音问题会突出？_传动机械_机械设备_行业资讯

电机都有振动噪音隐患，但电驱动电机更加突出。这一方面是因为要求更严格了，因为电机的振动很容易通过传递引起减速器、车架等部件的二次振动和耦合振动；另一方面电动汽车应用的工况特点也对电机产生了较大的约束，这些约束会恶化振动噪音问题。比如说高磁密问题和集中绕组问题。

电驱动电机的在性能上追求高功率密度、高转矩密度，在经济上又强调低成本。这导致了设计气隙逐步减小，气隙磁密逐步提高。最终高磁密的问题会反映到电机的噪音和振动水平上。

最近几年在低速车微型车领域，出现了许多集中绕组式的电机。集中绕组就是近槽极比配合，绕组跨距为1的电机。这种设计一方面是因为绕组端部小，能减少用铜量，另一方面是为了迎合大规模自动化生产的需要，集中绕组能够直接自动绕线，生产效率极高。但集中绕组却带来了很大的振动噪音挑战。这是因为集中绕组的分数槽结构，产生了大量低阶齿谐波，这些谐波容易和基波相互配对产生低空间次数的电磁力波。而低空间次数电磁力容易在机壳和定子上激励出较大的振动响应，并伴随作噪音问题。

随着对续航里程的要求提高，电动汽车的轻量化趋势明显，一方面电机本体的机壳和定子的厚度再降低，另一方面减速器、车桥、车架的质量也在下降。这导致了无论是本体还是系统的刚度都在下降，相同的电磁力激励会产生更大的振动响应，还可能会引起更大的噪音。

如何分析振动噪音问题？

欲解决振动噪音问题，必先解决如何分析问题。这里就有很多方法和流派，总的来说可以归纳为：自上而下和自下而上两种方法。

自下而上是经验派的主要工作方法，解决的套路和破案差不多，先到案发现场收集证据，然后分析可能的嫌疑对象，针对嫌疑对象进行调查，然后给出假设逻辑链和证据链。一旦锁定了目标，就做出针对性的修改，重新做一台电机来检验假想是否正确，如果正确了，问题解决，否则推倒重来。

自上而下是学院派的主要工作方法，学院派相信理论，相信方法论，在设计时就通过模型技术分析出了可能的故障特征，如果有问题及时更改设计。如果实测时发现了未预料到的故障特征，也会通过改善模型精度和计算方法来逐步逼近问题。

在实际工作中，我们应该做集大成者，这两种方法要结合起来用，相互配合，从长远来看，应该以学院派为主，经验派为辅助。下面我着重介绍自上而下的分析过程：

第一步：电磁力计算，一般需要计算出两类电磁力。一类是定子齿顶上每个单元的电磁力，以便后续的结构分析用，这是一种实时的分布力。另外一种是气隙中的电磁力波，即电磁力的波函数，它是用来分析电磁力可能产生的原因。简单的说：前面一种电磁力是用来模型计算用，后面一种电磁力是用来逆向分析用，它们是源同而表达方式不同。

第二步：模态计算和验证。模态计算的精度受约束条件、浸漆、绕组等因素的制约，不太容易一次获得精确解。因此需要通过实际检测的结果来修正各种约束和阻尼的设置。模态的实测方法一般为锤击法。模态分析即是为了修正模型，又可以用来预测共振的风险。

第三步：振动响应分析，计算第一步的电磁力施加在第二步的模型上，机壳、定子的瞬态响应。获得关注点的加速度和速度振动的幅值和相位。

第四步：噪音分析和预测，通过声学分析软件，计算球面噪音的频率分布和分贝。

如何解决振动噪音问题？

关于这一点，各家都有各家的手段。有的侧重通过工艺来解决问题，有的侧重电机本体设计，有的侧重从控制器角度来解决问题，更有集大成者采用综合性策略。

从工艺路线解决，是一种被动解决方案。常用的手段是，改善浸漆质量比如通过二次浸漆提高挂漆量和浸透深度。类似的方法还有改善铁芯叠压质量，降低齿定的弹片量、改善绕组端部长度和绑扎质量等等。这些手段的本质是提高结构系统的刚度和阻尼，从而减弱振动的幅值。

从本体设计路线解决，是一种本质性解决方案，主要的思想是从振动发生的源头出发，能减弱电磁力就减弱电磁力，减弱不了就让问题电磁力的频率避开结构体的固有频率。相应的手段有槽极比选择，它可以明显改变电磁力的频率分布；提高气隙均匀度，能控制电磁力成分，不均匀的气隙会导致额外的谐波并产生额外的电磁力。除此之外还有许多方法，不一一例举。

控制路线解决，在电机本体问题无法排除的情况下，还可以发挥控制器的主观能动性，硬件不行就软件补。常用的方法是谐波管理。它可以从正反两面来解决问题，举个例子：如果已经明确分析出5次电枢谐波是导致振动噪音的主要源头，那么控制时就对5次谐波作单独抑制，从而减弱噪音。如果反过来发现主要噪音是1阶齿谐波引起的，而5次电枢谐波刚好能够抵消掉1阶齿谐波产生的电磁力，那么我们就主动注入5次电枢谐波，就好比以毒攻毒。在国外，从控制侧解决振动噪音问题成为研究热点，因为这种方法机动灵活，不需要增加成本。

下面我先举三个国外学者从电机本体解决问题的方法，以便打开思路，启发灵感。

第一个例子是针对集中绕组的齿槽谐波引起的噪音的。有人对定子齿作了如下图的修形处理，将圆弧面修成平面。并以齿顶宽和齿顶高作为可变参数，作了参数化计算。最后优化的结果是能将电机的振动降低7%。

第二个例子是关于扭振和斜极的。这位前辈第一款电机将转子分成两段，两段间斜了半个槽。这样达到了降低转矩脉动，车辆在启动过程中更平稳，但发现电机在3000-4000HZ的噪音特别大。问题出在扭转共振上，该电机定子的第三阶扭转模态频率在3725HZ，振形为上下反向拉伸，上下的相位刚好相反。而两段式斜极导致上下两段的齿槽转矩相位也是相反的。这样就和振型就高度一致了，在某个转速下必然导致扭转共振现象。解决的方法就是改进斜极方式，如下图两种新的斜极方式，实测下来噪音改善效果都很明显。

第三个例子利用转子不对称修形和复合达到类似斜极的效果。如下图所示，有两种转子冲片，A冲片左极弧小于右极弧，B冲片则刚好相反。两种冲片通过A-B-A的方式复合成一个转子，实测后效果很好。不但明显降低了1000-2000HZ噪音，齿槽转矩也有相当比例的下降。

再举两个通过控制侧解决噪音问题的方法：

第一种方法是利用双控制器，降低高频电磁噪音。如下图所示，通过双控制器能明显抑制电机电流的PWM谐波。达到降噪的效果。

另外一种观点思路比较新颖，有位前辈发现电机的主要振动模态是4阶，而引起该阶振动的电磁力，受交直轴电流影响非常大。他作了仿真和试验，发现不但电动状态和发电状态振动不一致，即便在电动状态的第二相限（Id为负，Iq为正），不同的Id和Iq分配，振动大小也不一样。因此他提出一种观点，就是在电机和控制器耦合设计时，应以优化电磁力为目标，优化电机参数和控制策略，使得电流分配达到最佳噪音效果。但目前还没有看到实际的产品应用。

为什么要做集大成者

在处理电机振动噪音问题上，我们自然的分成两个流派。工程派们喜欢从噪音振动的经验感觉出发去解决问题，学院派喜欢从理论模型出发来分析问题。两种方法各有优劣。工程派的缺点显而易见：

其一：工程派的方法过于依赖经验，这种经验只能通过自己体验或者老司机们的言传身教才能获得，不利于继承发扬。

其二：很多问题是同源异表，或者异源同表，病症不同而病因相同，或者病因相同病症却不同，完全靠经验很难区分。

学院派们的理论模型分析法也有很多缺点：

其一，理论分析往往从稳态理想状态出发，比如恒转速，恒转矩等，而现实中振动噪音很多是在加速、调速等瞬态过程中发生的，分析结果很难直接应用。

其二，电机的理论振源有很多，有很多可能性会导致异常振动噪音，有可能是转子偏心引起的，也有可能是槽极配合不当。分析一个过程耗时耗力，很难把各种可能性全部遍历。

问题倒逼思考，困难促进成长。在现实需求面前，很多前辈惊才绝艳，修炼成了集两家之长的武功，成了能够综合运用的集大成者。接下来介绍一位绝顶高手解决问题的招式和套路。

黑盒白盒法

在面对电动汽车振动噪音问题时，这位前辈创造了一套新颖的招法。虽然理论不是首创，但在电动汽车上的应用足以让我辈望其项背。这套方法叫黑盒白盒法。

所谓“黑盒”就是“黑盒测试”的黑盒，将电机作为一个内部不可知的对象，不考虑电机内部是怎么构成的，只关注电机的外特性。所谓“白盒”和“黑盒”相反，电机对我们是完全开放透明的，我们能够明确知道电机的理论结构和特性。黑盒白盒法由三大步构成：

第一步白盒模型学习。获得两个东西：1电机的主要电磁力的理论频谱；2这些频谱背后的构成成分，这些成分可以是第一阶齿槽谐波或者第3次永磁谐波；

白盒学习关键在于分析清楚各阶谐波构成了哪些电磁力波，哪些电磁力波是主要，哪些电磁力波是次要的，一般空间次数小，幅值大的力波是主要矛盾。然后将这些力波的频率随转速变化特性计算出来，画在瀑布图上（纵坐标是转速，横坐标是频率），它是一条斜线，频率随速度变化而线性增长。

第二步黑盒实物测试。这位前辈构建了一个电机测试平台，能够测试出恒速和加速过程中的电机振动和噪音数据。这个测试平台是一个对拖测试平台，一台作为电动机运行，一台作为发动机运行，可以模拟汽车运行中各种工况。

黑盒测试主要获得两样东西：1实际噪音频谱（包括噪音瀑布图）；2总体声压和声功率随速度变化曲线；

通过黑盒瀑布图和白盒瀑布图的对分析发现：除了理论噪音频谱外，还有更丰富的噪音频谱特征。这些噪音频谱大都是基波电流之外的电流谐波产生的。这位前辈将复杂的噪音频谱分解成了若干独立成分。

分解噪音的成分来源，需要依据工程师的实际经验，判断出哪些是基波噪音，哪些是谐波噪音，哪些是机械噪音。通过测试还发现噪音最强的状态是空载400rpm时，以此判断出将400rpm空载作为主要的分析工况。

第三步四步法模型分析。就是分析在400rpm空载状态下电磁力以及振动响应和噪音分布。以此来找出异常噪音的来源。

电机振动噪音评估的一般过程如上图所示。下面结合实际案例具体说说每一步是如何实施的。

一：电磁力的计算，一般有两种方法获得电磁力，其中一种是集中电磁力法一种是节点电磁力法，各有优劣。

集中电磁力计算的过程如下：先计算气隙磁密，然后通过公式计算气隙中的电磁力，累积计算多个时间，即可获得完整的电磁力时空分布。然后将电磁力映射到我们需要研究的结构体上，可以是定子齿，也可以是转子磁钢，转子每极的表面。集中电磁力计算一般是手动进行，所以选择的对象一般较粗大。（比如一个齿为一个对象。）

这个例子中研究对象选择了每一极的转子表面，计算出了每个极表面的电磁力时间分布。然后针对每一极上可以作电磁力频谱分析，获得电磁力的频率分布特点。也可以分析某一个时刻下，所以极电磁力的大小，我们看到每个极的电磁力大小是不一样的，将所有极的电磁力作统一整体分析，可以获得电磁力波的空间分布。有了某个对象电磁力时间分布和空间分布，也就把这个电磁力完整的描述出来了，在后续的分析中就可以准确的施加。这也是集中分布力计算的优点。缺点就是需要较多的手动操作量。

分布电磁力的计算，是有有限元软件计算而成的，软件能够直接计算出每个网格内的电磁力，并且储存了所有步长下电磁力数据。如此可以方便的获得每个节点的电磁力时间分布。可以直接作为后续振动分析软件的激励源。优点是不需要手动计算，非常方便。但这要求结构分析软件和电磁分析软件的强耦合。另外一方面，不方便确定电磁力波的空间分布，不利于工程师判断电磁力的性质和来源。

二：模态计算和校正