基于某款純電動汽車永磁同步電機不同轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)對噪聲影響的分析

0 引言

永磁同步電動機因其體積小、質(zhì)量輕、效率高等特點被廣泛用于純電動汽車。作為純電動汽車的動力源，和傳統(tǒng)汽車一樣，是產(chǎn)生整車噪聲的一個主要來源。而不一樣的是和傳統(tǒng)汽油車相比，純電動汽車的動力源永磁同步電機產(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。噪聲作為電機的主要質(zhì)量指標之一^[1]，其噪聲的大小決定了整車的舒適性。

本文基于對某款純電動汽車車用永磁同步驅(qū)動電機噪聲進行測試和分析，數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn)全油門加速工況車速在25Km/h~75Km/h對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速1500r/min~6000r/min之間的48階次噪聲聲壓級較高，人耳也能明顯聽出高頻刺耳嘯叫聲^[2]。因電機已量產(chǎn)，重新設(shè)計電機的磁路結(jié)構(gòu)成本高、周期長、產(chǎn)線也需要大變，花費代價太高，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)動電機48階次噪聲，以較小的代價控制其聲壓級以達到可接受范圍。

圖一 車內(nèi)駕駛員右耳噪聲階次彩圖

1 純電動汽車驅(qū)動電機噪聲分析

在全油門加速工況下，測試車內(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]。整車車速在25Km/h~75Km/h對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速1500r/min~6000r/min之間的48階次噪聲聲壓級較高，整車內(nèi)電磁噪聲明顯。下面通過改變轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)來分析其對48階次噪聲的影響。

2 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子磁鋼優(yōu)化分析

電機的電磁噪聲主要是由電機內(nèi)部振動而產(chǎn)生，各階次的諧波會引起振動，削弱各階次的諧波對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、改善電機齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動的常用方法^[3]。

圖二 某新能源電動汽車初始轉(zhuǎn)子磁鋼示意圖

2.1 原電機轉(zhuǎn)子磁鋼兩段式斜極結(jié)構(gòu)

圖二所示為某新能源電動汽車初始轉(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)子磁鋼方案進行整車搭載驗證，測試兩段式斜極臺架數(shù)據(jù)與優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子磁鋼方案對比，選出臺架測試最優(yōu)方案。電機運行工況：模擬整車全油門加速。

圖三所示為兩段式斜極在臺架上測試數(shù)據(jù)，測試轉(zhuǎn)速為1500到6000轉(zhuǎn)，匹配整車在此轉(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 兩段式斜極臺架測試數(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，電機運行工況：模擬整車全油門加速。

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)臺架測試數(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。電機運行工況：模擬整車全油門加速。

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)臺架測試數(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。電機運行工況：模擬整車全油門加速。

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，噪聲降低最大值達到15dB，全轉(zhuǎn)速段的噪聲的平均值遠小于優(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有個較好的噪聲效果。

圖九 6段斜極ZigZag結(jié)構(gòu)臺架測試數(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。電機運行工況：模擬整車全油門加速。

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6~15dB。因低速段工況駕駛員使用頻率較高，采用此方案能達到較好的結(jié)果。

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

3 總結(jié)

本文從驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)方面進行臺架的測試與驗證。測試結(jié)果顯示不同轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)對噪聲的表現(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有個較好的噪聲效果。4段斜槽平行結(jié)構(gòu)對48階次噪聲改善效果比較大，低速段降幅達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的噪聲表現(xiàn)。

參考文獻：

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

[2] 陳士剛,沙文瀚,杭孟荀,等. 某款純電動汽車用驅(qū)動電機噪聲分析[J]. 汽車零部件, 2019(1):22-24

[3] 姚學松，陶文勇.某款電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機噪聲分析[J]. 汽車零部件,2019,26(12):74-77

（注：本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）