來源 | CAE之家

一、電機振動原因

永磁同步驅動電機是電動汽車的核心零部件之一，其性能優劣直接決定了整車的品質。驅動電機的振動會產生嚴重的噪聲污染，影響乘坐舒適性，更重要的是會使其性能有所下降。目前，電動汽車驅動電機的振動和噪音問題一直是我國電動汽車制造的薄弱環節，其技術很難達到國際標準的要求。

一般來說，逆變器控制的驅動電機振動原因可以簡要概括四類：

（1）電磁噪聲

電機氣隙磁場相互作用產生隨時間和空間變化的電磁力波，這種電磁力波將引起電機定子和殼體產生振動。定子與殼體的振動進而又引起周圍空氣的振動即產生電磁噪聲。特別是當電磁力波的空間階數與頻率分別與定子結構模態振型與頻率接近時，將會引起嚴重的共振。

（2）機械噪聲

驅動電機的機械噪聲一般由制造與裝配時導致的偏心（靜偏心、動偏心、混合偏心、定轉子尺寸加工精度不良等）與軸承噪聲引起。軸承因溫升過高、載荷過大，潤滑不良與安裝不到位等使其出現異響，加劇軸承噪聲。

（3）空氣動力噪聲

空氣動力噪聲，多產生于采用風扇自冷的電機。風扇葉片高速旋轉，使周圍氣體產生渦流擾動以及周期性脈動，導致被攪動的氣流碰撞散熱筋、緊固螺栓和其他突出障礙物而產生噪聲。為了減小空氣阻力，高速運行的驅動電機轉子結構件一般均未采用突出的緊固螺栓及散熱筋，致使空氣動力噪聲在驅動電機領域并不明顯。

（4）開關噪聲

控制器開關頻率引起的一系列電流諧波，與氣隙磁場相互作用產生的力波作用在定子上使其產生高頻的振動噪聲。開關噪聲與其控制有直接相關，采用rPWM可以很好地削弱開關噪聲。

二、電機模態與振動的關系

（1）電磁力波特性

驅動電機運行中，定、轉子磁場相互作用產生切向與徑向電磁力波并引起電機的振動和噪聲是電磁噪聲的主要來源。解析分析電機電磁力波如下表所示。電磁力波分布如下圖所示。

（2）電機模態主要特征

機械振動一般是由多個激勵源疊加后的共同作用效果，每一個振型，都有一個振動頻率，即固有頻率。當外界激勵激起某個結構振型，并且激勵頻率又接近那個振型的固有頻率時，就會發生共振。模態分析是針對機械結構確定其振動形態與頻率的技術方法。因此，研究電機的振動噪聲特性，首先要計算出電機及其主要零部件的固有頻率，即進行模態分析。驅動電機的電磁振動與噪聲主要來源于定子和殼體的振動，并通過電機的殼體向外輻射噪聲。因此定子模態在驅動電機本體的振動分析顯得至關重要。將定子近似環形，其徑向振型如圖所示。

(3)電機振動主要特征

（I）當電磁激勵的空間階數、頻率與模態的振型與頻率接近時，發生電磁共振。如下圖所示。

（II）一般地，電機振動位移與激勵成正比，與其結構的彈性模量成反比、與空間振型模數的四次方成反比等。

三、驅動電機零階模態及噪聲說明

(1) 案例一

Smart 車的近場噪聲如下圖所示，Smart驅動電機采用博世電機（極槽配合為6/36）。

電機引起整個總成振動最大振動階次為36。

第一處36階在1.7KHz，如圖中a處。（根據分析與計算認為此處為零階扭轉模態或轉子靜偏心所為）。

第二處36階在3.7KHz，如圖中b處。作者提及電機單體測試時，在此處及傳遞路徑中并沒有發現，但在與總成測試過程中，發現在在齒輪端出現了此噪聲，由此可以推測為電機扭轉引起總成噪聲變化。

第三處36階在5-6KHz，如圖中c處。模態仿真分析確定電機零階模態頻率在5kHz左右。通過實驗（經驗等）校核得知一般零階模態頻率約高于仿真值，由此可以估計驅動電機零階頻率約在5-6kHz這個范圍。故此范圍的振動極大可能由零階模態共振引起。

另外，電機控制器的開關頻率引起的一系列電流諧波與電機氣隙磁場相互作用產生的電磁力波。如上圖d處。其分布特征

其中k1與k2同時取奇偶。其中d 處在與72階相交處易引起0階模態（即breathing mode）共振。

Smart for two搭載了一兩級單檔箱，其齒輪配合分別為21、46、17、77，速比為9.922 ，因此在二級齒輪軸與電機輸出軸端及半軸輸出端齒輪嚙合過程將會產生兩類噪聲。一級齒輪軸有21個齒，在齒輪嚙合中，電機旋轉1圈齒輪嚙合響應21次，故此將產生21階噪聲以及其倍數階次42，63等。同理可推導出輸出端產生7.76階以及其倍數為15.52、23.28等階次如圖中藍色線所示。

由于車內隔音阻尼作用，高階次噪聲削弱嚴重，Smart for two電動汽車車內噪聲如上圖所示， 車內表現比較嚴重只有電機的36階與齒輪的21階。

(2)案例二

Nissan Leaf這款車采用極槽配合為8/48的永磁同步電機，其主要振型為0階與8階。0階模態與8階模態頻率分別約為6.8kHz與10.2kHz，其振動噪聲頻譜圖如下圖所示。齒輪嚙合產生的噪聲階次，在此不再重述。電機控制器開關頻率與電機工作電流作用產生的電磁力波與上面分析相同，只不過，此處采用變開關頻率，分別采用了5k與10k的開關頻率。a、b兩處由0階模態共振引起，據分析，a 處可能激勵起端蓋的0階模態，b處有兩種可能的解釋，其一，可能由激勵與軸向0階模態作用引起，其二，是殼體（冷卻水套）產生了額外的0階相關的模態頻率。c、d兩處由0階扭轉共振引起。由此可以得出0階模態在驅動電機振動噪聲起著關鍵的作用。

四、結束語

從上述案例分析可知，在當今電動汽車永磁驅動電機中，呼吸模態很容易引起振動噪聲問題，需要工程師提起足夠的重視。

審核編輯：符乾江