電機模態(tài)與振動的關(guān)系，驅(qū)動電機零階模態(tài)及噪聲說明

一、電機振動原因

永磁同步驅(qū)動電機是電動汽車的核心零部件之一，其性能優(yōu)劣直接決定了整車的品質(zhì)。驅(qū)動電機的振動會產(chǎn)生嚴(yán)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(qū)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(huán)節(jié)，其技術(shù)很難達到國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

一般來說，逆變器控制的驅(qū)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生電磁噪聲。特別是當(dāng)電磁力波的空間階數(shù)與頻率分別與定子結(jié)構(gòu)模態(tài)振型與頻率接近時，將會引起嚴(yán)重的共振。

（2）機械噪聲

驅(qū)動電機的機械噪聲一般由制造與裝配時導(dǎo)致的偏心（靜偏心、動偏心、混合偏心、定轉(zhuǎn)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(xiàn)異響，加劇軸承噪聲。

（3）空氣動力噪聲

空氣動力噪聲，多產(chǎn)生于采用風(fēng)扇自冷的電機。風(fēng)扇葉片高速旋轉(zhuǎn)，使周圍氣體產(chǎn)生渦流擾動以及周期性脈動，導(dǎo)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(chǎn)生噪聲。為了減小空氣阻力，高速運行的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(qū)動電機領(lǐng)域并不明顯。

（4）開關(guān)噪聲

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

二、電機模態(tài)與振動的關(guān)系

（1）電磁力波特性

驅(qū)動電機運行中，定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)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(tài)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(dāng)外界激勵激起某個結(jié)構(gòu)振型，并且激勵頻率又接近那個振型的固有頻率時，就會發(fā)生共振。模態(tài)分析是針對機械結(jié)構(gòu)確定其振動形態(tài)與頻率的技術(shù)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(tài)分析。驅(qū)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(tài)在驅(qū)動電機本體的振動分析顯得至關(guān)重要。將定子近似環(huán)形，其徑向振型如圖所示。

（3）電機振動主要特征

（I）當(dāng)電磁激勵的空間階數(shù)、頻率與模態(tài)的振型與頻率接近時，發(fā)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(jié)構(gòu)的彈性模量成反比、與空間振型模數(shù)的四次方成反比等。

三、驅(qū)動電機零階模態(tài)及噪聲說明

（1）案例一

Smart車的近場噪聲如下圖所示，Smart驅(qū)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(jù)分析與計算認(rèn)為此處為零階扭轉(zhuǎn)模態(tài)或轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)，但在與總成測試過程中，發(fā)現(xiàn)在在齒輪端出現(xiàn)了此噪聲，由此可以推測為電機扭轉(zhuǎn)引起總成噪聲變化。

第三處36階在5-6KHz，如圖中c處。模態(tài)仿真分析確定電機零階模態(tài)頻率在5kHz左右。通過實驗（經(jīng)驗等）校核得知一般零階模態(tài)頻率約高于仿真值，由此可以估計驅(qū)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(tài)共振引起。

另外，電機控制器的開關(guān)頻率引起的一系列電流諧波與電機氣隙磁場相互作用產(chǎn)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(tài)（即breathingmode）共振。

Smartfortwo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(chǎn)生兩類噪聲。一級齒輪軸有21個齒，在齒輪嚙合中，電機旋轉(zhuǎn)1圈齒輪嚙合響應(yīng)21次，故此將產(chǎn)生21階噪聲以及其倍數(shù)階次42，63等。同理可推導(dǎo)出輸出端產(chǎn)生7.76階以及其倍數(shù)為15.52、23.28等階次如圖中藍色線所示。

由于車內(nèi)隔音阻尼作用，高階次噪聲削弱嚴(yán)重，Smartfortwo電動汽車車內(nèi)噪聲如上圖所示，車內(nèi)表現(xiàn)比較嚴(yán)重只有電機的36階與齒輪的21階。

（2）案例二

NissanLeaf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(tài)與8階模態(tài)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(chǎn)生的噪聲階次，在此不再重述。電機控制器開關(guān)頻率與電機工作電流作用產(chǎn)生的電磁力波與上面分析相同，只不過，此處采用變開關(guān)頻率，分別采用了5k與10k的開關(guān)頻率。a、b兩處由0階模態(tài)共振引起，據(jù)分析，a處可能激勵起端蓋的0階模態(tài)，b處有兩種可能的解釋，其一，可能由激勵與軸向0階模態(tài)作用引起，其二，是殼體（冷卻水套）產(chǎn)生了額外的0階相關(guān)的模態(tài)頻率。c、d兩處由0階扭轉(zhuǎn)共振引起。由此可以得出0階模態(tài)在驅(qū)動電機振動噪聲起著關(guān)鍵的作用。

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