新能源汽车技术｜轮毂电机振动噪声抑制措施

外转子永磁同步电机作为轮毂电机较多地应用在电动汽车上，但以轮毂电机为目标的振动噪声研究却较少。以一台额定功率为10 kW、额定转速为500 r/min的轮毂电机为例，通过构建轮毂电机的2D有限元模型，对电机的径向电磁力密度和振动噪声特性进行有限元仿真计算。从极弧系数和定子齿上开辅助槽两个方面对外转子轮毂电机的振动噪声特性进行研究。仿真结果表明：轮毂电机极弧系数为0.72左右时，振动噪声特性较好；在定子齿顶开设不对称的双辅助槽显著提升了电机的振动噪声特性。

轮毂电机振动噪声抑制措施

0 引 言

汽车的噪声、振动、不平顺性被称为汽车的NVH特性，是比较汽车工艺的一个综合性特性[1]。

外转子永磁同步电机(PMSM)具有轮毂电机需要满足的效率高、占用空间低、质量小、功率密度高和转矩密度大等特点，成为电动汽车最主要的驱动装置[2]。但也因车用电机体积小、转矩高，电机径向电磁力密度高，振速快，电磁噪声大的缺点影响了汽车行驶的稳定性和乘客乘坐的舒适性。因此，对电动汽车用电机的振动噪声研究必不可少。

1 轮毂电机电磁分析

图1 轮毂电机2D模型图

图2为不同极弧系数下，电机输出转矩和转矩波动的曲线。共对比了0.60、0.66、0.72、0.78、0.84、0.90共6组方案。原方案极弧系数为0.78，输出转矩较低，转矩波动较大。

表1 电机参数表

图2 负载转矩随极弧系数变化曲线

分别对比单辅助槽、等宽双辅助槽、不等宽双辅助槽、等宽三辅助槽4种情况，择优选取电机输出转矩特性较好且电磁力波较小的方案。

1.1 径向电磁力分析

轮毂电机在转速较高或过载状态运行时，会产生更大的电磁噪声，这主要是因为电机内部的径向、切向电磁力。大量研究已证明，径向分量的幅值要远大于切向分量。因此在研究电机的振动噪声过程中，径向电磁力一直是研究的主要对象。图3为电磁力波示意图。

电机的径向电磁力密度表达式为[12]

式中：fr为电机的径向力密度;μ0为真空磁导率;Bn、Bt分别为电机气隙磁密的径向与切向分量。

气隙磁密切向分量极小，通常在研究中忽略切向分量的影响。

气隙磁通密度可拆分为：转子的永磁体磁密BR和定子的电枢反应磁场Bs，忽略Bt的影响，Bn=BR+BS，式（1）可表示为

气隙磁导λ与磁动势F的乘积如下：

对应的定转子气隙磁动势与磁导如式（4）~式（6）所示：

式中：vR=2k+1为永磁体谐波磁场次数;

为vR次永磁体谐波磁动势幅值;p为电机极对数;θ为转子机械角度;ω为定子基波电流角速度;t为时间;μ为绕组电流谐波次数,μ=6k+1（k=1，2，3,…）;

为定子绕组产生的谐波磁动势幅值;vs=2mk±1为电枢磁场谐波次数;m=3为电机相数;

为磁动势初相角;λ0为气隙平均磁导kZ为齿谐波阶数;Z为电机槽数。

将式（3）~式（6）代入式（2）中，可归纳出10极36槽的永磁体磁场和定子绕组的电枢反应磁场产生的径向力波的阶数（vR±vS）p，频率为（vR±1）f，f=41.67 Hz为电流基频,如表2所示。

表2 径向电磁力阶次及频率表

电机变形程度表达式可以简化为式（7）：

式中:Ar为电机的振动变形状态；Pr为电磁力谐波幅值；r表示电磁力波的阶数。

由式(7)可知,电磁力波空间分量的阶次越低，对电机的电磁噪声的影响越大，同时阶次对振动的影响要大于幅值，越是低阶越应关注。

1.2 电机电磁有限元分析

图3为电机额定负载状况下，径向电磁力密度（简写为Frad，下同）的时空波形图，对其进行傅里叶分解，得到不同时空状态下，分量的幅值，如图4所示。从图4可以看出，对其分布规律大体与表2的预测一致，且（0,4f）、（10,4f）、（10,6f）等在图4中标注的分量幅值较高。在1.1节中已经说明阶次对电机振动噪声的影响更大，一般只需关注低阶次高幅值的Frad。

图3 负载状态下径向电磁力密度波形图

图4 负载径向电磁力密度时空分解图

图5为不同极弧系数下，Frad幅值的对比。可以看出，极弧系数为0.72时，Frad的幅值低于电机原设计方案，由99 500 N/m2降低到了98 800 N/m2，降比幅度为4.5%。

图5 不同极弧系数的Frad幅值对比

定子齿顶开辅助槽会使外转子PMSM磁路变化，辅助槽的尺寸会影响电机的输出转矩特性和振动噪声特性。将辅助槽的尺寸和定子槽开口大小做对比，探究其对外转子PMSM的振动噪声特性影响。图6为四种辅助槽方案的2D模型。

(a) 单辅助槽

(b)对称双辅助槽

(c) 不对称双辅助槽

(d)等宽三辅助槽

图6 4种辅助槽2D模型示意图

首先对比单辅助槽方案，控制槽口深度与电枢槽口深度都为1.5 mm，扫描辅助槽的宽度。根据槽口宽度2.5 mm，扫描范围为2.5~7.5 mm，步长为1.25 mm。表3为不同槽口宽度下，Frad的幅值对比。从表3中可以看出,辅助槽宽度为6.25 mm时，径向电磁力波幅值最低，为1 956 N/m2。这是由于辅助槽增加了电机齿槽转矩的周期数，也变相增加了电磁力波的周期数，使得傅里叶分解后的低阶幅值降低。

表3 不同槽口宽度对比

进一步研究外转子PMSM的振动噪声优化问题。针对两种双辅助槽，深度同样设置为1.5 mm，与电枢槽深度一致。等宽双辅助槽中，一个辅助槽的宽度范围为1~4 mm，步长为0.5 mm。表4为等宽双辅助槽方案2阶Frad的对比。从表4可以看出，一个辅助槽为3 mm的情况下，傅里叶分解后的2阶Frad幅值最小，为1 953 N/m2。

表4 等宽双辅助槽对比

在保证双辅助槽宽度之和为6 mm的情况下，对不对称双辅助槽进行仿真分析。将图片右侧的辅助槽宽度作为参数化扫描对象1 mm，则另一侧为(6-1) mm,保证宽度之和为6 mm。表5为不等宽双辅助槽傅里叶分解后的2阶Frad对比。从表5可以看出，右侧槽宽度为1.5 mm，左侧槽宽度为4.5 mm的2阶Frad幅值最低，为1 897 N/m2。

表5 等宽双辅助槽对比

最后对比等宽三辅助槽的情况，分别对比了槽宽为1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm和2.5 mm 4种情况，表6为傅里叶分解后2阶Frad的幅值对比。从表6可以看出，辅助槽宽度为1.5 mm时，傅里叶分解后的2阶Frad幅值最低，为2 046 N/m2。

表6 等宽三辅助槽对比

综合对比了4种辅助槽方案，选取槽宽分别为1.5、4.5 mm的不对称双辅助槽，再综合极弧系数为0.72的方案，对电机进行优化仿真。图7为电机综合优化前后的负载输出转矩曲线对比。从图7中可以看出,综合优化后，平均转矩为199.6 N·m，转矩脉动比率降低至1.2%。优化提升了电机的性能与稳定性。

图7 综合优化前后输出转矩曲线对比

2 轮毂电机模态分析

(a) 1阶模态

(b) 2阶模态

(c) 3阶模态

(d) 4阶模态

图8 前4阶模态振型云图

表7 模态固有频率表

3 轮毂电机振动分析

将Maxwell中计算好的径向电磁力密度作为激励源与Workbench中的谐响应模块进行耦合分析，将激励源作用在永磁体上。谐响应模块中的模型如图9所示。

图9 轮毂电机谐响应模块模型

在振动响应中，振动幅值与激振力波幅值成正比，低次谐波的幅值较大容易引起振动。但是当特定阶激振力波的频率与对应模态的固有频率相接近时，即使力波幅值很小也会引起较大的振动响应。额定负载状态下的优化前后振动加速度曲线对比如图10所示。在375 Hz、583 Hz和916 Hz的位置出现了波峰，预计噪声曲线波峰会出现在该频率附近。可以看出，优化后，峰值振动加速度由7.66 m/s2降为5.45 m/s2，降低了28%，可见优化后对电机外壳的振动达到了抑制作用。

图10 优化前后振动加速度对比

4 轮毂电机噪声分析

对电机的声场进行仿真。电机侧面作为径向电磁力作用的主要转播方向，应着重观察。做一个圆环状空气域,额定负载状态下的声场仿真结果如图11所示。在声场中取一观测点，该点的优化前后声压级曲线对比如图12所示。额定负载状态下，噪声峰值主要出现在375 Hz、583 Hz和916 Hz附近，与前文中的预测保持一致。从图12可以看出，优化后，电机的噪声下降，且待重点关注频率处的噪声下降明显，峰值噪声从65.5 dB（A）下降到54.2 dB（A），降幅为原来的17%，优化效果明显。

图11 噪声场云图

图12 优化前后噪声曲线对比

5 结 语

（1） 外转子电机极弧系数的改变导致径向电磁力幅值先减小后增大，但是增加的幅度越来越慢。在定子齿表面开设辅助槽可以增加电机齿槽转矩的周期数，进而达到削弱2阶Frad的效果。采用不对称的双辅助槽可以保证了电机输出转矩不被牺牲，有效抑制了转矩脉动，同时对电机的振动噪声抑制效果最佳。