电流角对永磁同步电机开关频率噪声的影响

王刚 牛文博 蔡辉 郭守仑 范雨卉 陈野

（1.中国第一汽车集团有限公司研发总院NVH研究所；2.中国第一汽车集团有限公司新能源开发院电机电驱动研究所）

随着电动汽车的普及与发展，驱动电机引起的整车噪声问题也备受关注。与传统汽车的发动机噪声不同，电动汽车的电机噪声主要是电机的阶次噪声与开关频率噪声，在车内表现为恼人的啸叫。对于开关频率噪声，电机在逆变器供电的条件下，定子电流中含有大量的时间谐波，使气隙磁场也产生大量的谐波，输入电流的高次谐波会引起电磁噪声[1]，其振动噪声频率主要分布在开关频率及其倍数附近[2]。这种高频噪声会严重影响驾乘人员的主观感受。提高开关频率，可以使开关噪声避开人耳敏感区，但是会增加功率模块的功率损耗，对逆变器散热要求也更高。针对此问题，文章通过永磁同步电机台架噪声测试，验证不同电流角对开关频率噪声的影响，探索在不提高开关频率的前提下，解决开关频率噪声的办法。

1 电机开关频率噪声产生机理

图1示出电动汽车电机的开关频率噪声产生机理。逆变器的作用是根据控制策略，提供电机所需的三相交流电压和电流，一般采用三相半桥电路，拓扑结构如图1a所示。通过空间矢量脉宽调制技术将动力电池的直流电转换成三相交流电，由此产生开关频率噪声。6～12 kHz频率的开关噪声可能会被客户感知并厌烦，更高频率的开关噪声客户较难感知[3]。当前，逆变器开关频率多为10 kHz或更高[4]。

图1 电动汽车电机的开关频率噪声产生机理

电机由逆变器供电，采用空间矢量脉宽调制算法，其输出的电流波形不是理想的正弦波，如图1b所示，而是存在大量的电流谐波，电流基波与各次谐波的相互调制产生径向电磁力，引起以开关频率为中心对称分布的噪声[5]。噪声频谱表现，如图1c所示。

2 电流角与电磁转矩的关系

图2示出永磁同步电机空间矢量图。

图2 永磁同步电机空间矢量图

电流角[6]是定子磁链与永磁体产生的气隙磁场间的空间电角度，即图2中id与iq合成的电流空间矢量is与d轴的空间角度β。电流角与电磁转矩的关系，如式（1）所示。电流角的不同会影响电磁转矩和电磁力，进而影响电机开关频率产生的噪声。

式中：Tem——电磁转矩，N·m；

p——极对数；

Lmd——定、转子间的d轴互电感，H；

Ld，Lq——定子绕组的d，q轴电感，H。

提高开关频率，可以使其噪声频率避开客户易感知的频率范围，但会增加功耗，降低逆变器效率。在某电机（8极48槽，开关频率为8 kHz）的开发阶段，在不影响效率的前提下，进行了电流角对开关频率噪声影响的研究。

3 驱动电机台架NVH测试方法

3.1 电机NVH台架搭建

在半消声室环境下进行电机台架噪声测量，消声室净空间尺寸为11.4 m×8.4 m×4.8 m，声学结构为金属尖劈（长×宽×高）1 000 mm×500 mm×800 mm，截止频率为100 Hz（截止频率以上吸声系数≥0.99），背景噪声≤25 dB。驱动电机与台架通过适配安装板刚性连接，使用刚性联轴器与测功机连接。测功机及其附属设备须进行噪声隔离与屏蔽，确保不会干扰电机噪声的测量。夹具走线孔使用隔声材料进行封堵。

3.2 电机噪声测点位置

采用平行六面体的测试面，在电机某一侧端面，距离电机壳体外轮廓几何中心位置0.5 m处布置传声器，传声器垂直指向电机表面，如图3所示。

图3 电动汽车电机噪声测点位置示意图

3.3 电机噪声测试工况

电机的转速控制在6 500 r/min，电流的有效值为260 A，其他工作条件不变，设定不同的电流角：125.0，127.0，128.4（原状态），130.0，131.0，135.0°，进行台架电机噪声测量。

3.4 不同电流角的电机噪声测试结果

图4示出不同电流角的噪声测量频谱。由图4可以看出，电机开关频率产生的噪声在f1±3f0、f1±f0频率处存在较明显的噪声峰值。根据电机整车、台架噪声试验数据的积累与分析，一般情况下，这些开关频率噪声幅值较大，较易在车内产生高频啸叫，影响驾乘感受。

图4 电动汽车电机不同电流角噪声测量频谱

提取不同测试工况的f1±3f0、f1±f0频率噪声幅值进行综合对比，如图5所示。从图5可以直观看出：随着电流角的增大，电机开关频率谐波f1±3f0、f1±f0频率噪声幅值均呈下降趋势，f1+f0频率噪声降低2.4 dB，f1-f0频率噪声降低3.6 dB，f1+3f0频率噪声降低1.1 dB，f1-3f0频率噪声降低4.4 dB。测试结果表明，电流角是影响电机开关频率噪声的重要因素之一，调整电流角可有效改善电机开关频率噪声。

图5 电动汽车电机不同电流角开关频率噪声测量结果

在调整电流角进行噪声测试的过程中，也同步记录了电机转矩数据，如图6所示。从图6可以看出，其他试验条件不变，随着电流角变大，电机转矩有所下降。因此，调整电流角、降低开关频率噪声的方案还需要统筹考虑，需要兼顾电机的噪声与电机性能。

图6 电动汽车电机转矩随电流角变化曲线

4 结论

电动汽车电机的开关频率噪声幅值大、易被感知，一旦在车内出现，会严重影响驾乘人员的主观感受。电机台架噪声测试结果表明，电流角是影响电机开关频率噪声的重要因素之一，增大电流角可以在不提高开关频率、不增加功率损耗的情况下，有效降低开关频率谐波分量噪声。该结果为设计与NVH人员提供了一种优化开关频率噪声的方案与策略，但是，随着电流角的增大，电机转矩会略有降低，噪声与性能二者如何取舍，需要结合实际情况综合考虑。