电动车驱动电机振动噪声研究综述
摘要：阐述了电动汽车驱动电机振动与噪声问题的近期研究成果，针对驱动电机声振特性研究路线，从六个方面进行了介绍，驱动电机对整车声振特性影响研究、驱动电机振动噪声激励源的研究、基于磁固耦合的电机振动噪声动态响应分析研究、电机振动噪声控制优化研究、对电机噪声传播路径控制的研究、电机噪声对车内声品质影响研究。电动汽车用驱动电机与普通工业用电机的应用环境不同，车用电机安装在运动的车体上，经常产生颠簸。驱动电机应满足密度大、调速范围宽、轻质量和降低 制造成本等方面的要求，使得电机的结构复杂、轻薄、刚度低，导致了电机振动噪声的抑制难度增大。尤其在高转速、高负载情况下易产生严重的噪声污染，对整车振动噪声贡献量大。在传统汽车领域，NVH问题研究已有很多。但是，对于电动车来说，发动机被电机取代，发动机的缺失并没有改善电动汽车的振动噪声问题，电机高频噪声更加明显；电机直接连接变速器形成一体化的动力总成，由此引发的振动噪声性能也与传统汽车不同；此外，在整车情况下应结合噪声级评价指标以及心理学客观评价参数对电机进行声品质的研究。目前，国内外对电动汽车驱动电机振动噪声研究相对较少。本文从驱动电机对整车声振特性影响研究、驱动电机振动噪声激励源的研究、基于磁固耦合的电机振动噪声动态响应分析研究、电机振动噪声控制优化研究、对电机噪声传播路径控制的研究等五个方面阐述电动汽车驱动电机噪声研究现状。研究驱动电机噪声对整车噪声的影响有利于确定电机振动噪声的研究重点。2008年，蔡建江等对燃料电池轿车进行试验，得出在超过某一车速下，驱动电机振动幅值变化和车内噪声的频率变化基本一致，且在高速工况下车内噪声最主要频率成分为电机转速的基频或谐频。2012年，Humbert等提出电机的切向电磁力对变速器的振动特性产生影响，但缺少具体的分析。2014年相龙洋等人对新型纯电动小车进行试验，并对车内各部分进场噪声信号进行偏相干分析】，得出电动汽车高速行驶时，电机噪声为主要源头。2015年方源等人对某集中驱动式电动车进行试验研究，得出随着车速的增加，相比于动力总成其他部分，电机端部的声压级波动较大，且电机高频噪声增大，对整车的声品质产生主要影响。2016年，于蓬等人对动力总成在内部激励下的振动进行分析，并根据试验数据，得出电机内部电磁激励在高频段对动力总成的振动影响较大，进一步强调了电机高频噪声研究的必要性。2010年Islam等研究并分析了永磁同步电动机的声振特性，研究表明，径向电磁力为电机振动的主要激励。2012年Pellerey将电磁径向力和切向力波施加到电机壳体进行分析，考虑了切向电磁力为振动激励f31。2014年Jean等人考虑了静／动态偏心等电机缺陷产生的影响。
目前，电机一变速器一体化驱动系统是典型的集成式驱动模式，国内已有对纯电动车动力总成进行声振特性试验的研究，于蓬等人指出，动力总成由于其特有的内部综合激励使电机振动噪声产生新特点，并对动力总成的内部激励进行理论分析和数值模拟，考虑了变速器齿轮啮合激励对电机的作用。2015年方源等人对动力总成进行了试验研究，利用频谱分析证实了变速器齿轮啮合频率对电机的振动噪声影响较大。2012年，Pellerey等人考虑电流控制对电机电磁噪声的影响，不同的控制电流将产生不同的谐波电流及电磁力波。2013年于蓬等利用场路耦合，得到了考虑外控制电路作用下的电磁激励。此外，2010年唐任远发现控制电流相位偏差引起2阶转矩波动】，证实了外控制电路可产生多源激励引起电机振动。机械激励：轴承或电刷装置等的机械摩擦，转子动不平衡是最常见的机械振动激励；电机内的冷却风扇转动激励电机产生噪声；路面不平造成的附着力波动是引起驱动电机扭振的激励。4．1 结合场路耦合对电磁激励进行仿真、利用ROMAX仿真获得机械激励针对电机本身电磁激励，国内外多采用电磁分析软件仿真电磁力，早期，1997年比利时提出了计算径向电磁力的方法，随着有限元法的普及，多利用电磁有限元仿真软件对电机磁场分析，2012年后考虑多物理场对电机的影响，建立了永磁同步电机多物理模型。由于考虑外控制电路产生的电磁激励，2012年国外学者、2013年国内学者开始进行场路耦合仿真电磁激励，分别用有限元软件对电机进行电磁仿真、用MATLAB／simulink搭建控制电路模型，结合两者得到电磁激励。针对变速器齿轮啮合激振力，至今国内外学者已有一定研究，主要路线为结合刚柔耦合多体动力学，利用ROMAX仿真方法得到机械激励。
2006年国内外学者利用联合仿真进行噪声评估和探讨感应电机电磁、声振特性。采用结构有限元和声场边界元联合仿真，将前期得到的激励作用于有限元模型进行模态分析，将振动结果作为边界条件施加在边界元模型，进行动态响应分析。在主动控制方面，国外学者研究较多。2002年Robe~等探讨了对控制器样频的精确控制来减小转矩波动，2012年Pierre证实了调整电流谐波可以减小电流和振动。2005年-2012年国内学者进一步研究了采用迭代学习控制策略实现谐波转矩的抑制。在被动控制方面，国内外已有大量的研究，2009年Jean等通过研究适当地增加齿槽宽度也可降低电磁噪声。2010年D．C等指出增加绕组数量以及气隙长度可以减少径向力波。2007年宋志环等提出调整极槽配合、绕组层数可以改善电磁噪声。2016年钟文彬对试验样机的转子结构优化，降低了径向激振力。国内外学者大都通过改善制造工艺性、改善定／转子不平衡来优化机械噪声。对噪声传递路径的控制是解决振动噪声问题最常用的方法。控制方法有：隔振控制、阻尼控制、隔声控制、吸声控制。根本原理就是在振动噪声传递路径上施加减振原件，隔声吸声材料。驱动电机通过悬置安装在副车架上，电机的振动能量传递到车身。目前，国内借鉴传统发动机动力总成悬置系统的研究方法，对电动汽车驱动电机的悬置系统研究较多。2007年阎礁等以转子质量不平衡为激励，对振动系统的悬置刚度进行了优化。2011年李莹建立了电机六自由度刚体模型，将路面窄带平稳随机加速度作为输入参数，得到电机动力总成质心加速度响应。2008年蔡建江对驱动电机一副车架悬置系统进行建模并仿真，提出电机悬置的隔振性能对高速工况下车内噪声有主要作用，通过改善悬置隔振性能和副车架刚度是改善车内噪声的有效途径。作者单位：1．河北 工业大学机械工程学院 天津市 300131 2河北 工业大 学新 能源汽车研究 中心 天津市 300131
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首次发布时间：2023-04-22
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