切向电磁力对电动车动力总成振动噪声的影响分析

方源，　章桐,3，　于蓬，　郭荣

(1.同济大学 新能源汽车工程中心，上海 201804；2.同济大学 汽车学院，上海 201804；3.同济大学 中德学院，上海 201804)



切向电磁力对电动车动力总成振动噪声的影响分析

方源1,2，章桐1,2,3，于蓬1,2，郭荣1,2

(1.同济大学 新能源汽车工程中心，上海 201804；2.同济大学 汽车学院，上海 201804；3.同济大学 中德学院，上海 201804)

摘要:为了研究电动车的高频电磁噪声问题，以电动车动力总成为研究对象，综合考虑电机电磁径向电磁力波和切向电磁力波，建立了动力总成有限元分析模型，采用一种弱磁-固耦合的方法对动力总成的电磁振动噪声特性进行分析，研究切向电磁力对系统振动噪声特性的影响。在半消声室中，对动力总成进行振动加速度及辐射噪声测试，以验证仿真分析方法的准确性。研究结果表明，电机与减速器集成后，切向电磁力对电机振动噪声影响不大，但对减速器产生了不可忽略的影响，在2 000 Hz和2 400 Hz处，切向电磁力在减速器表面产生了明显的振动，并且对减速器表面2 000 Hz～2 400 Hz范围内的声场贡献较大。研究结果对电机的电磁参数和结构进行改进和优化设计，为降低电机的电磁振动提供理论依据和试验支持。

关键词:动力总成；模态分析；切向电磁力；径向电磁力；振动噪声

0引言

随着世界各国大力推广新能源汽车，国内外学者也开始研究电动车用永磁同步电机的振动噪声特性振动特性，研究发现噪音和振动的根源是径向力引起的电磁振动[1-4]。此外，在进行电磁仿真分析时，通常施加理想的三相正弦电流，没有考虑外电路电阻、电感等元件的影响[3-8]；随着研究的深入，有学者发现：针对电机-减速器集成驱动系统而言，由于电机与减速器存在耦合作用，因此有必要考虑电磁切向力波。B.Prasanth针对车用发电机啸叫进行研究，发现电机啸叫不仅与其自身有关，还与与其连接的机械构件有关。通过改变连接方式、增加质量块等方式提高了电机的噪声品质[9]。P.Pellerey等人分析了电磁切向力对电动车动力总成动态响应的影响，提出切向电磁力不会对电磁噪声有较大贡献，但是会对减速器动态特性产生影响[10]。

本文以集中驱动式电动车动力总成为研究对象，考虑外电路的影响，建立场路耦合电磁仿真分析模型，得到径向和切向电磁力。分析切向电磁力对系统振动噪声特性的影响。

1电磁力计算

电磁噪声主要由电机运行时气隙中谐波磁场相互作用做产生的电磁力波引起的。利用麦克斯韦定律可求出定子铁心内表面单位面积上的法向电磁力Pr和切向电磁力Pt，如下式所示：

(1)

(2)

式中：μ为空气磁导率，为4×10-7H/m；Br、Bt分别为电磁径、切向气隙磁密。

1.1电磁激励仿真建模

采用场路耦合的方法来考虑外电路对电磁激励的影响。联合仿真模型如图1所示，在Simplorer中搭建SPWM控制电路，在Ansoft中建立电机电磁分析模型。通过将外部电路产生的三相电流输入到电磁分析模型中实现场路耦合联合仿真[11]。电磁激励仿真工况为电机转速3 000 r/min，负载为12 N·m。

图1　电磁激励联合仿真模型Fig.1　　　　Joint simulation model for electromagnetic　　　 excitation

1.2仿真结果分析

图2(a)为电机电磁力波时域图，可以看出，径向力和切向力均呈周期性变化，径向力峰值达到了106N/m2，切向力峰值达到了4×105N/m2；电磁力频域分布如图2(b)所示，可以看出，电磁力在400 Hz、800 Hz、1 200 Hz、1 600 Hz、2 000 Hz等频率处存在峰值，这些频率均为电机电流谐波频率。国内外众多学者研究发现，考虑到切向力幅值较小以及电机结构对称的原因都忽略了切向电磁力的作用，而认为电机径向力是产生电磁振动噪声最主要的原因。但是，电机与减速器集成在一起后不再是圆柱结构，系统的振动特性会发生变化，在实际工作中切向电磁力可能对动力总成的振动噪声产生很大影响，有必要加以考虑。因此，后续的研究工作一方面要注重减小电磁力的幅值，另一方面要避免一些电磁力的谐波分量出现在动力总成的固有频率处。

2模态分析

模态分析是对系统动力学特性参数进行参数辨识和估计的技术，是结构运动学的分析基础。根据动力总成实际的边界条件将3个悬置处约束后进行模态分析，为研究电机振动/噪声提供力学分析依据。材料参数如表1所示。计算得到的振型及频率如图3所示。

表1　材料参数

图2　电磁力Fig.2　Electromagnetic force

图3　模态振型Fig.3　Mode shape

从图3可以看出，减速器的加入使得系统的振型变得复杂，不再是典型的电机振型，而是既有单独的电机振型，也有单独的减速器振型，还有二者耦合的整体振型；动力总成固有频率分布密集，在电磁力的谐波频率附近都存在着多个固有频率，会对系统振动噪声特性产生影响。

在但采尔帮助下，蔡元培陪周养浩于11月21日“到大学报名”。接下去的一年里，蔡元培则利用夫人注册入学的便利，了解汉堡大学有关民族学的课程，借阅图书馆的图书，潜心研究民族学。期间，他多次拒绝主持北大校务的蒋梦麟和北大评议会要他回国主持校务的请求。在1925年1月3日致北京大学评议会的信中，蔡元培云：“自去年十月起，即屏除一切，专心求学。冀再历一二年，稍有所得，以副研究之名。若此时辍业而归，则所谓何所闻而来、何所见而去，不特自问难安，而亦无以副本校特别优待之盛意。”[8]227

3振动特性分析

利用ANSYS有限元软件建立该电机三维结构的有限元模型，再以时域瞬态电磁场分析得到的稳态电磁力作为激励，进行电机结构的响应分析，得到在电磁力激励下电机的振动特性。利用有限元法容易建立电机结构振动的运动微分方程为

(3)

图4为ANSYS Workbench中的分析模型和受力示意图，将径、切向电磁力分别加到定子齿上,观察动力总成表面振动情况。电机在实际工作时，动力总成悬置是固定在副车架上的，因此动力总成的电磁振动分析是在悬置零位移约束状态、电机定子内表面受到一个旋转激励力的条件下计算得到的。

图4　受力示意图Fig.4　Example of electromagnetic forces on the stator

在有无切向电磁力的作用下，计算得到在0 Hz～5 000 Hz 的频率范围内，动力总成结构的振动加速度，如图5、图6所示。

从图5电机外侧振动加速度频域图可以看出，切向电磁力对电机径向振动几乎没有影响，而在2 400 Hz处电机表面的切向加速度有明显的差别。从图6减速器表面振动加速度频域图可知，在2 000 Hz以及2 400 Hz处，切向电磁力对减速器表面的振动加速度有较大影响。这是因为切向电磁力在2 000 Hz和2 400 Hz处存在峰值，而2 000 Hz和2 400 Hz接近系统的第5阶和第8阶的固有频率。

图5　电机表面振动加速度Fig.5　Vibration acceleration of motor

图6　减速器表面振动加速度Fig.6　Vibration acceleration of reducer

图7为径、切向电磁力共同作用下，动力总成表面振动位移图。可见尽管只有电机定子受力，但由于电机与减速器是通过螺栓连接成一体的，因此电磁力对减速器壳体仍会产生较大影响。

图7　动力总成振动位移Fig.7　Vibration displacement of electric powertrain

4噪声研究

以LMS Virtual.Lab Acoustics有限元仿真软件为平台，仿真动力总成的电磁噪声声场分布情况。图8为样机电磁噪声声场分布云图。从图8仿真结果可知，动力总成机身附近的声功率较大，这是由于径向电磁激振力直接作用在电机定子铁心内表面，而随着声场的扩大，声场呈射线状散开。

图8　动力总成壳体结构辐射声场声压级分布Fig.8　　　　Distribution of sound field radiated from　　　 gearbox in sound pressure level

图9(a)为电机表面某点的声压曲线，可以看出，切向电磁力对电机表面的声压级贡献不大，只是在2 400 Hz左右有4 dB的差别。图9(b)为减速器表面某点的声压曲线，可以看出，在2 000 Hz～2 400 Hz范围内，切向电磁力对减速器表面的声压级贡献较大，有13 dB左右的差距。这与图7减速器表面的振动加速度相对应。

图9　声压频谱图Fig.9　Frequency spectrum of noise

5试验研究

在半消声室内对某集中驱动式纯电动车动力总成进行振动噪声试验，测试动力总成表面振动加速度和辐射噪声[12]。测试系统示意图如图10所示。工况为转速3 000 r/min,扭矩12 N·m。

图10　测试系统Fig.10　Test system

从图11电机表面振动加速度可以看出，一方面，由于减速器箱体以及齿轮啮合力的影响，在某些频域范围内电机表面的切向加速度反而大于径向加速度；另一方面，在2 400 Hz和3 900 Hz处存在峰值，这也与图6的仿真结果较为吻合。由于存在齿轮啮合激励、轴承激励、转子不平衡等作用力，因此图11中的结果不能在仿真中完全体现出来。图12减速器轴承座处声压阶次中，既有电磁激励产生的第24、36阶次，也有齿轮啮合激励产生的29和58阶次；在1 500 r/min～5 000 r/min的整个转速范围内，2 400 Hz处的声压级都较高(如图中红圈所示)，这与上文提到的电磁切向力以及系统的固有频率有关。

图11　电机表面振动加速度频谱图Fig.11　Vibration acceleration spectrum

图12　减速器轴承座处声压阶次图Fig.12　Reducer noise order

6结论

本文首先基于场路耦合对电机的电磁场进行分析，得到了电机稳态过程中的径、切向电磁力。将动力总成稳态下电机定子受到的电磁力进行傅立叶分析，得到电磁力的谐波成分。在ANSYS Workbench中建立了电动车动力总成有限元模型，分析了切向电磁力对系统振动噪声特性的影响，并进行了试验研究。得到的主要结论如下:

1)减速器的存在使得系统的振型变得复杂，不再是典型的电机振型，而是既有单独的电机振型，也有单独的减速器振型，还有二者耦合的整体振型。

2)动力总成固有频率分布密集，在电磁力的谐波频率附近都存在着多个固有频率，会对系统振动噪声特性产生影响。

3)电机与减速器集成化后，切向电磁力产生了不可忽略的影响：振动方面，切向电磁力仅对电机表面的切向振动产生影响而对径向振动没有影响，但是从减速器表面的振动情况来看，切向电磁力在2 000 Hz和2 400 Hz处产生了明显的振动；噪声方面，切向电磁力对电机表面的声压级贡献不大，只是在2 400 Hz左右有4 dB的差别。而对减速器表面2 000 Hz～2 400 Hz范围内的声场贡献较大。其原因在于，整体考虑电机与减速器后，系统的振动特性发生改变，切向电磁力会对减速器产生影响，而且切向电磁力在固有频率2 000 Hz和2 400 Hz处存在谐波分量。

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(编辑：张楠)

Effect of tangential electromagnetic force on vibration and noise of electric powertrain

FANG Yuan1,2，ZHANG Tong1,2,3，YU Peng1,2，GUO Rong1,2

(1.New Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.School of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804,China; 3.Sino-German College of Applied Sciences,Tongji University,Shanghai 201804,China)

Abstract:To study the electromagnetic noise of electric vehicle,the internal dynamic excitation of gears and the electromagnetic excitation of electric motor were considered,and the dynamic finite element model of transmission system and structure system of the electric powertrain was established.A weak-coupled method was presented here to analyze electromagnetically excited vibration and noise and the effect of tangential electromagnetic force on vibration and noise.A noise and vibration test was conducted to verify the simulation.The result shows the tangential electromagnetic force contributes little to the noise and vibration of the electric machine but a lot to the reducer especially in 2 000 Hz and 2 400 Hz.Based on the analysis,the electromagnetic parameters and the structure of the electrical machine could be improved and optimized to reduce its electromagnetically excited vibration．

Keywords:electric powertrain；modal analysis; tangential electromagnetic force; radial electromagnetic force; vibration and noise

收稿日期:2014-06-04

基金项目：国家自然科学基金(51205290)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(1700219118)

作者简介：方源(1989—)，男，博士研究生，研究方向为电动车动力总成系统振动噪声研究；

通讯作者:章桐

DOI:10.15938/j.emc.2016.05.013

中图分类号:U 463

文献标志码:A

文章编号:1007-449X(2016)05-0090-06

章桐(1960—)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为整车集成设计及新能源汽车动力系统；

于蓬(1986—)，男，博士研究生，研究方向为电动车动力传动系统振动噪声研究；

郭荣(1979—)，男，博士，副教授，博士生导师，研究方向为汽车振动与噪声控制。