基于某款純電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)不同轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲影響的分析

0 引言

永磁同步電動(dòng)機(jī)因其體積小、質(zhì)量輕、效率高等特點(diǎn)被廣泛用于純電動(dòng)汽車(chē)。作為純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源，和傳統(tǒng)汽車(chē)一樣，是產(chǎn)生整車(chē)噪聲的一個(gè)主要來(lái)源。而不一樣的是和傳統(tǒng)汽油車(chē)相比，純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源永磁同步電機(jī)產(chǎn)生的高頻噪聲，尖銳刺耳讓人難以忍受，造成的危害更大，影響駕駛員和乘客的身心健康。噪聲作為電機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)之一^[1]，其噪聲的大小決定了整車(chē)的舒適性。

本文基于對(duì)某款純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)用永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲進(jìn)行測(cè)試和分析，數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn)全油門(mén)加速工況車(chē)速在25Km/h~75Km/h對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min~6000r/min之間的48階次噪聲聲壓級(jí)較高，人耳也能明顯聽(tīng)出高頻刺耳嘯叫聲^[2]。因電機(jī)已量產(chǎn)，重新設(shè)計(jì)電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)成本高、周期長(zhǎng)、產(chǎn)線也需要大變，花費(fèi)代價(jià)太高，本文在僅改變轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)48階次噪聲，以較小的代價(jià)控制其聲壓級(jí)以達(dá)到可接受范圍。

圖一 車(chē)內(nèi)駕駛員右耳噪聲階次彩圖

1 純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲分析

在全油門(mén)加速工況下，測(cè)試車(chē)內(nèi)駕駛員右耳噪聲數(shù)據(jù)，繪制出48階次彩圖，如圖一所示^[3]。整車(chē)車(chē)速在25Km/h~75Km/h對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min~6000r/min之間的48階次噪聲聲壓級(jí)較高，整車(chē)內(nèi)電磁噪聲明顯。下面通過(guò)改變轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)來(lái)分析其對(duì)48階次噪聲的影響。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼優(yōu)化分析

電機(jī)的電磁噪聲主要是由電機(jī)內(nèi)部振動(dòng)而產(chǎn)生，各階次的諧波會(huì)引起振動(dòng)，削弱各階次的諧波對(duì)電磁噪聲的改善起到很大作用，而轉(zhuǎn)子分段斜極是一種能有效削弱齒諧波、改善電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的常用方法^[3]。

圖二 某新能源電動(dòng)汽車(chē)初始轉(zhuǎn)子磁鋼示意圖

2.1 原電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼兩段式斜極結(jié)構(gòu)

圖二所示為某新能源電動(dòng)汽車(chē)初始轉(zhuǎn)子磁鋼示意圖，轉(zhuǎn)子磁鋼分為兩段式，為兩段式斜極結(jié)構(gòu)。為找出效果較好轉(zhuǎn)子磁鋼方案進(jìn)行整車(chē)搭載驗(yàn)證，測(cè)試兩段式斜極臺(tái)架數(shù)據(jù)與優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子磁鋼方案對(duì)比，選出臺(tái)架測(cè)試最優(yōu)方案。電機(jī)運(yùn)行工況：模擬整車(chē)全油門(mén)加速。

圖三所示為兩段式斜極在臺(tái)架上測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試轉(zhuǎn)速為1500到6000轉(zhuǎn)，匹配整車(chē)在此轉(zhuǎn)速段的噪聲。數(shù)據(jù)上可看出此轉(zhuǎn)速段48階次噪聲在70分貝以上，最高達(dá)80分貝以上，駕駛員在駕駛室內(nèi)能明顯感受到尖銳的電磁噪聲。

圖三 兩段式斜極臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)圖

2.2 4段式斜極V型結(jié)構(gòu)

圖四所示為4段式斜極V型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁鋼示意圖，改變磁鋼結(jié)構(gòu)到V型，電機(jī)運(yùn)行工況：模擬整車(chē)全油門(mén)加速。

圖四  4段式斜極V型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

4段式斜極V型結(jié)構(gòu)的噪聲測(cè)試結(jié)果如圖五所示，其48階次噪聲在1600r·min-1~1900r·min-1轉(zhuǎn)速段及3900 r·min-1噪聲反而升高，此方案使得噪聲效果變差。

圖五 4段式斜極V型結(jié)構(gòu)臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)圖

2.3 4段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)

圖六所示為4段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁鋼示意圖，磁鋼采用四段式交叉布置。電機(jī)運(yùn)行工況：模擬整車(chē)全油門(mén)加速。

圖六 4段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁鋼示意圖

4段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁鋼示意圖噪聲測(cè)試結(jié)果如圖七所示，其48階次噪聲在1500r·min-1~3000r·min-1轉(zhuǎn)速段及4600 r·min-1以上有一定的改善效果，噪聲降低約4dB，全轉(zhuǎn)速段的噪聲平均值低于優(yōu)化前。

圖七  4段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)圖

2.4  6段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)

圖八所示為6段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁鋼示意圖，磁鋼采用6段式段式交叉布置。電機(jī)運(yùn)行工況：模擬整車(chē)全油門(mén)加速。

圖八 6段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁鋼示意圖

優(yōu)化前后的噪聲測(cè)試結(jié)果如圖九所示。優(yōu)化后的方案其48階次噪聲在2300r·min-1之前噪聲效果變差，高于優(yōu)化前2-6dB，2300r·min-1以上改善效果較明顯，噪聲降低最大值達(dá)到15dB，全轉(zhuǎn)速段的噪聲的平均值遠(yuǎn)小于優(yōu)化前。，此方案配合低轉(zhuǎn)速段噪聲抑制方案也可使得整車(chē)有個(gè)較好的噪聲效果。

圖九 6段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)圖

2.5  4段斜槽平行結(jié)構(gòu)

圖十所示為4段斜槽平行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁鋼示意圖，磁鋼采用4段式平行斜槽布置。電機(jī)運(yùn)行工況：模擬整車(chē)全油門(mén)加速。

圖十 4段斜槽平行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁鋼示意圖

4段斜槽平行結(jié)構(gòu)的噪聲測(cè)試結(jié)果如圖十一所示，其48階次噪聲在全轉(zhuǎn)速段都有改善效果，低轉(zhuǎn)速段效果比較明顯，降幅達(dá)6~15dB。因低速段工況駕駛員使用頻率較高，采用此方案能達(dá)到較好的結(jié)果。

圖十一  4段斜槽平行結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)圖

3 總結(jié)

本文從驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行臺(tái)架的測(cè)試與驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果顯示不同轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲的表現(xiàn)差異較大，4段式斜極V型結(jié)構(gòu)多噪聲不僅沒(méi)有改善反而使得噪聲效果變差。4段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)和6段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)僅對(duì)部分轉(zhuǎn)速段有一定的改善。6段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)方案配合低轉(zhuǎn)速段噪聲抑制方案也可使得整車(chē)有個(gè)較好的噪聲效果。4段斜槽平行結(jié)構(gòu)對(duì)48階次噪聲改善效果比較大，低速段降幅達(dá)6~15dB，48階次噪聲降低到較好的水平，5000轉(zhuǎn)以下也是城市工況最常用轉(zhuǎn)速段，采用此方案可提高整車(chē)的噪聲表現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳永校,諸自強(qiáng),應(yīng)善成. 電機(jī)噪聲的分析和控制[M]. 浙江：浙江大學(xué)出版社, 1987

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[3] 姚學(xué)松，陶文勇.某款電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)噪聲分析[J]. 汽車(chē)零部件,2019,26(12):74-77

（注：本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）