電機(jī)定子與殼體過(guò)盈配合的噪聲分析

1 前言

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是純電動(dòng)汽車的動(dòng)力核心，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)其振動(dòng)噪聲會(huì)加劇，將嚴(yán)重影響整車舒適性。電機(jī)定子與殼體多采用過(guò)盈配合連接，過(guò)盈配合對(duì)電機(jī)殼體強(qiáng)度影響很小，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)中性好、可承受較大軸向力和扭矩等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際工作溫度范圍為-40～150℃，且有劇烈的振動(dòng)，這對(duì)電機(jī)定子與殼體的實(shí)際過(guò)盈量有很大影響。為探明定子與殼體間過(guò)盈量對(duì)電機(jī)噪聲的影響，以及電機(jī)噪聲隨溫度變化趨勢(shì)，本文以純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用48槽8極永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，采用階次分析方法，通過(guò)對(duì)具有不同定子與殼體過(guò)盈量的電機(jī)和在不同溫度下的電機(jī)進(jìn)行了空載勻加速近場(chǎng)噪聲測(cè)試分析，并給出了電機(jī)定子與殼體過(guò)盈量取值建議，以作為電機(jī)噪聲優(yōu)化的參考。

2 階次分析方法

電機(jī)升速與降速過(guò)程的噪聲信號(hào)是非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，若對(duì)此信號(hào)直接利用快速傅氏變換FFT（Fast Fourier Transformation）進(jìn)行頻譜分析，則會(huì)產(chǎn)生“頻率混疊”現(xiàn)象。若對(duì)電機(jī)升速或降速信號(hào)以電機(jī)軸轉(zhuǎn)角為參考進(jìn)行恒角度增量采樣，則可將電機(jī)升速或降速過(guò)程的時(shí)域非穩(wěn)態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)化為角度域穩(wěn)態(tài)信號(hào)，此時(shí)再進(jìn)行FFT變換就可以避免“頻率混疊”現(xiàn)象。等角度采樣又稱階次采樣或階次追蹤，是一種有效的非穩(wěn)態(tài)信號(hào)分析方法。

為確定采集到的噪聲信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系，在測(cè)試時(shí)需引入轉(zhuǎn)速信號(hào)作為參考。首先對(duì)噪聲信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)分兩路以遠(yuǎn)高于奈奎斯特（Nyquist）采樣頻率的頻率進(jìn)行等時(shí)間間隔采樣，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)估計(jì)轉(zhuǎn)速發(fā)生時(shí)刻，再對(duì)此轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的噪聲信號(hào)進(jìn)行插值重采樣，從而得到近似穩(wěn)態(tài)信號(hào)。

典型的階次分析頻譜圖中，一種是以橫軸為參考軸轉(zhuǎn)速，縱軸為聲壓級(jí)，在圖中同時(shí)顯示總聲壓與各階次聲壓曲線，可以定性地看出各階次聲壓在某頻率下對(duì)總聲壓的貢獻(xiàn)情況；另一種階次頻譜圖采用X坐標(biāo)為噪聲信號(hào)頻率或者噪聲信號(hào)頻率與參考軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的比值，即階次，Y軸代表聲壓級(jí)，Z軸代表參考軸轉(zhuǎn)速或噪聲采樣時(shí)間，這種表示方法可以分析噪聲在頻域內(nèi)的分布。階次計(jì)算式為：

式中，O為階次；f為各部頻率，Hz；n為參考軸轉(zhuǎn)速，r/min。

3 電機(jī)噪聲來(lái)源

3.1 機(jī)械噪聲

永磁同步電機(jī)中的機(jī)械噪聲主要有電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡引起的一階振動(dòng)噪聲及電機(jī)的滾動(dòng)軸承引起的噪聲。滾動(dòng)軸承尺寸和滾動(dòng)體個(gè)數(shù)與其階次噪聲有直接關(guān)系，較常見(jiàn)的有軸承內(nèi)、外圈的通過(guò)頻率引起的階次噪聲。通過(guò)頻率是滾珠通過(guò)軸承內(nèi)滾道和外滾道時(shí)產(chǎn)生的沖擊特征，外圈和內(nèi)圈的通過(guò)頻率計(jì)算式[5]為：

式中，fouter、finner為軸承外圈和內(nèi)圈通過(guò)頻率；Nb為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)；fr為參考軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；Dc為軸承節(jié)徑；β為接觸角；Db為滾動(dòng)體直徑。

本文研究的永磁同步電機(jī)軸承滾珠為9個(gè)，因此內(nèi)、外圈的通過(guò)頻率分別為5.4階和3.6階。

3.2 空氣動(dòng)力噪聲

空氣動(dòng)力噪聲一般由電機(jī)散熱風(fēng)扇等元件以及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成的空氣渦流噪聲、風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)使冷卻空氣周期性脈動(dòng)或氣體撞擊障礙物而產(chǎn)生的單頻噪聲、風(fēng)路中薄壁零件諧振或風(fēng)路設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的“笛聲”等構(gòu)成。

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)采用水冷卻或自然風(fēng)冷卻，因此不存在單頻噪聲和“笛聲”，但存在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成的空氣渦流噪聲。又因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)為閉式電機(jī)，空氣渦流噪聲不能輕易傳遞到電機(jī)外部，所以此噪聲可以忽略不計(jì)。

3.3 電磁噪聲

電機(jī)氣隙磁場(chǎng)作用于電機(jī)定子鐵芯產(chǎn)生電磁力，電磁力引起定子鐵芯的振動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)電磁噪聲。由于氣隙磁密波的作用，在定子鐵芯齒上會(huì)產(chǎn)生徑向電磁力和切向電磁力，其中徑向電磁力使定子鐵芯產(chǎn)生的振動(dòng)變形是電磁噪聲的主要來(lái)源，而切向電磁力使定子齒根部彎曲產(chǎn)生局部振動(dòng)變形，是電磁噪聲的次要來(lái)源。對(duì)于永磁同步電機(jī)，其徑向電磁力可由麥克斯韋應(yīng)力張量法求得[7]，即

式中，Pn為理想條件下引起電機(jī)電磁噪聲的徑向力波，N/m2；b（θ,t）為氣隙磁密，T；μ0=4π×10-7H/m為真空磁導(dǎo)率。

在理想情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向所受的磁拉力合力為零且徑向力波的特征階次為電機(jī)極數(shù)的整數(shù)倍。但在實(shí)際情況下，由于結(jié)構(gòu)、零部件的加工及裝配和材料磁化等原因，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生兩部分徑向不平衡磁拉力，一部分與時(shí)間無(wú)關(guān)，方向指向間隙最小方向；另一部分與時(shí)間相關(guān)，其波動(dòng)頻率為電頻率的2倍。若電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)大于3，則只有與時(shí)間無(wú)關(guān)的部分存在。

當(dāng)采用變頻器供電時(shí)，永磁同步電機(jī)定子電樞反應(yīng)磁場(chǎng)中產(chǎn)生大量與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的諧波成分，顯著影響電機(jī)氣隙磁場(chǎng)中電磁力波的幅值和次數(shù)，并會(huì)因電磁激振力頻率與電機(jī)某些模態(tài)固有頻率接近而發(fā)生共振，進(jìn)而引起電機(jī)振動(dòng)和噪聲增大。

4 電機(jī)噪聲測(cè)試分析

4.1 未改變電機(jī)定子與殼體過(guò)盈量噪聲測(cè)試分析

電機(jī)的定子與殼體通過(guò)過(guò)盈配合連接在一起，如圖1所示，定子外徑為Φ210+0.186+0.154mm，電機(jī)殼體內(nèi)徑為Φ210-0.022-0.051mm。采用米勒貝姆公司的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和分析軟件在室溫下對(duì)48槽8極風(fēng)冷永磁同步電機(jī)進(jìn)行電機(jī)空載勻加速近場(chǎng)噪聲測(cè)試。噪聲采集麥克風(fēng)與電機(jī)軸處于同一水平面，且麥克風(fēng)頭部正對(duì)電機(jī)殼體，距電機(jī)20 cm，如圖2所示。

圖3為加速過(guò)程中電機(jī)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)頻圖，由圖3可看出，電機(jī)噪聲在頻率為475～620 Hz、電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 800～4 750 r/min處尤為突出，且此頻率范圍內(nèi)存在共振帶。

圖1 電機(jī)定子與殼體過(guò)盈裝配示意

圖2 電機(jī)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

圖3 電機(jī)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)頻圖

為定性分析特定頻率范圍內(nèi)不同階次電磁噪聲貢獻(xiàn)情況，對(duì)改變過(guò)盈量時(shí)測(cè)得的近場(chǎng)噪聲進(jìn)行階次分析。因徑向力波的頻率特征為電機(jī)極數(shù)的整數(shù)倍階，因此分析的主要階次為電機(jī)極數(shù)8的整數(shù)倍。圖4為階次噪聲貢獻(xiàn)分析結(jié)果，由圖4可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速在4 275 r/min時(shí)噪聲出現(xiàn)峰值，總聲壓級(jí)達(dá)到97 dB（A）。此轉(zhuǎn)速下8階電磁力噪聲貢獻(xiàn)量最大，結(jié)合圖3分析可知，此8階電磁力經(jīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)耦合放大后引起電機(jī)殼體振動(dòng)；其它階次電磁噪聲在此轉(zhuǎn)速下噪聲貢獻(xiàn)相對(duì)很小。

圖4 階次噪聲貢獻(xiàn)分析結(jié)果

4.2 改變電機(jī)定子與殼體過(guò)盈量后噪聲測(cè)試分析

通過(guò)分別減小和增大電機(jī)定子與殼體的過(guò)盈量來(lái)研究過(guò)盈量對(duì)電機(jī)噪聲的影響。

4.2.1 減小電機(jī)定子與殼體過(guò)盈量

采用內(nèi)徑為mm的殼體、定子外徑保持不變來(lái)減小過(guò)盈量。圖5為減小過(guò)盈量后電機(jī)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)頻圖，由圖5可看出，在頻率為600 Hz、電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 500 r/min附近電機(jī)噪聲明顯降低，為了進(jìn)一步分析不同階次電磁力對(duì)電機(jī)總聲壓級(jí)的貢獻(xiàn)，對(duì)電機(jī)近場(chǎng)噪聲進(jìn)行階次分析。圖6為過(guò)盈量減小后電機(jī)階次噪聲貢獻(xiàn)分析結(jié)果，由圖6可看出，通過(guò)減小過(guò)盈量，電機(jī)噪聲最大值在電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 475 r/min處，電機(jī)近場(chǎng)噪聲為88.1 dB（A），相比于未改變過(guò)盈量的電機(jī)降低了8.9 dB。

圖5 過(guò)盈量減小后電機(jī)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)頻圖

圖6 減小過(guò)盈量后電機(jī)階次噪聲貢獻(xiàn)分析結(jié)果

4.2.2 增大電機(jī)定子與殼體過(guò)盈量

采用內(nèi)徑為?mm的殼體、定子外徑不變來(lái)增大過(guò)盈量。圖7為過(guò)盈量增大后的電機(jī)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)頻圖，由圖7可看出，在頻率約為600 Hz、電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 500 r/min附近電機(jī)噪聲明顯降低，為了進(jìn)一步分析不同階次電磁力對(duì)電機(jī)總聲壓級(jí)的貢獻(xiàn)，對(duì)電機(jī)近場(chǎng)噪聲進(jìn)行階次分析。圖8為過(guò)盈量增大后電機(jī)階次噪聲貢獻(xiàn)分析結(jié)果，由圖8可看出，通過(guò)增大過(guò)盈量，電機(jī)噪聲最大值在電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 475 r/min處，電機(jī)近場(chǎng)噪聲為89.3 dB（A），相比于未改變過(guò)盈量的電機(jī)降低了7.7 dB。

圖7 過(guò)盈量增大后電機(jī)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)頻圖

圖8 增大過(guò)盈量后電機(jī)階次噪聲貢獻(xiàn)分析結(jié)果

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，定子和殼體的連接剛度對(duì)電機(jī)的整體噪聲有很大影響。從減小定子鐵芯的振動(dòng)來(lái)看，應(yīng)增大電機(jī)定子與殼體的過(guò)盈量來(lái)增大連接剛度；從減小電機(jī)殼體振動(dòng)來(lái)看，應(yīng)減小電機(jī)定子與殼體的過(guò)盈量來(lái)減小連接剛度。由于電機(jī)殼體的振動(dòng)直接輻射噪聲，因此從考慮降低電機(jī)噪聲的角度出發(fā)，應(yīng)首先考慮減小電機(jī)定子與殼體的過(guò)盈量。但與此同時(shí)，電機(jī)要輸出滿足設(shè)計(jì)要求的扭矩就需要有足夠的過(guò)盈量來(lái)提供扭矩，且增大過(guò)盈量也可以優(yōu)化電機(jī)噪聲，因此電機(jī)定子與殼體的過(guò)盈量應(yīng)在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)盡量取較大值。

4.3 溫度對(duì)電機(jī)噪聲的影響

電機(jī)定子與殼體是通過(guò)熱套工藝裝配在一起。因定子與殼體的熱膨脹系數(shù)不同，溫度對(duì)電機(jī)定子和殼體的實(shí)際過(guò)盈量有很大影響。為研究在實(shí)際工況下電機(jī)溫度變化對(duì)電機(jī)噪聲的影響，利用高低溫試驗(yàn)箱對(duì)不同溫度下的電機(jī)進(jìn)行空載勻加速工況近場(chǎng)噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 過(guò)盈量改變前、后電機(jī)噪聲隨溫度變化曲線

由圖9可知，在約0～35℃時(shí)，過(guò)盈量減小的電機(jī)噪聲大于過(guò)盈量增大的電機(jī)，在其它溫度區(qū)間過(guò)盈量減小的電機(jī)噪聲優(yōu)于過(guò)盈量增大的電機(jī)，但隨電機(jī)溫度的升高電機(jī)整體噪聲呈下降趨勢(shì)。考慮到隨電機(jī)溫度升高會(huì)使定子與殼體實(shí)際過(guò)盈量減小，為提供足夠的扭矩，并結(jié)合電機(jī)噪聲會(huì)隨電機(jī)溫度升高而下降的趨勢(shì)，定子的過(guò)盈量應(yīng)在允許范圍內(nèi)取較大值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)定子與殼體過(guò)盈量和電機(jī)溫度兩方面對(duì)電機(jī)噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，電機(jī)的8階電磁噪聲對(duì)電機(jī)總聲壓級(jí)貢獻(xiàn)最大，8階電磁力經(jīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)耦合放大后引起電機(jī)殼體振動(dòng)；通過(guò)調(diào)整電機(jī)定子與殼體過(guò)盈量可有效降低電機(jī)整體噪聲，但增加和減少過(guò)盈量之間優(yōu)化效果差異并不明顯；溫度變化對(duì)電機(jī)定子與殼體過(guò)盈量有很大影響，隨電機(jī)溫度的升高，電機(jī)整體噪聲呈下降趨勢(shì);電機(jī)定子與殼體過(guò)盈量應(yīng)在允許的范圍內(nèi)盡量取較大值。

審核編輯：湯梓紅