新能源汽车驱动电机制造层面的NVH分析和优化研究

朱克非

摘 要：NVH（Noise Vibration Harshness噪音振动平顺性）是新能源汽车行业衡量驱动电机的设计水平和制造质量的重要指标。为了从制造过程来分析和优化驱动电机的NVH性能，提升量产电机产品的制造质量，本文结合六西格玛DMAIC质量体系方法，应用到车用驱动电机产品的实际量产制造中，进行了制造产线中NVH相关的MSA（测量系统分析），利用FTA（故障树分析）得到了影响电机制造NVH的相关变量，通过相关性分析方法和最佳子集回归法得到了影响制造NVH的关键因素，优化并将改善点加入了产线NVH控制计划。本研究对于提升车用驱动电机的制造质量水平及建立车用驱动电机制造NVH开发体系具有重要意义。

关键词：新能源汽车 驱动电机 量产制造 NVH

1 引言

NVH是新能源汽车行业衡量驱动电机设计和制造水平的重要指标，因此NVH性能不仅与电机的电磁、结构和控制设计相关，也与电机制造过程中的来料质量和装配工艺密切相关。很多论文做了驱动电机、电驱系统设计层面的NVH分析优化，但是从量产制造层面来研究驱动电机NVH性能分析优化的研究相对较少。

为了保证实际电机产品在大规模量产制造时的质量和工艺一致性，需要建立量产制造层面的电机NVH开发体系，本文采用六西格玛质量体系的DMAIC方法。六西格玛质量体系包含DFSS和DMAIC两种方法。DFSS即Design For Six Sigma 六西格玛设计，包含DOE（Design of Experiment 实验设计）等实用工具，主要应用于新产品的设计。DMAIC方法即Define定义，Measure测量，Analysis分析，Improve改进，Control控制，这一套方法流程主要应用于对现有产品的优化改进，如图1所示。DMAIC方法包含MSA（Measuring System Analysis测量系统分析）、 FTA（Fault Tree Analysis故障树分析）、Correlation Analysis（相关性分析）等实用工具。本文主要研究的是对现有量产驱动电机制造层面的NVH性能做分析优化，因此相对于DFSS方法，DMAIC方法更适合应用于本研究。

2 基于六西格玛DMAIC的制造NVH分析优化

2.1 项目定义

Define阶段需明确要解决的电机制造NVH问题，一般将影响制造产线NVH合格率较大的问题点定义为项目目标。此外，还需要定义项目的背景、时间计划、预期经济效益以及项目团队。由于NVH与电机定转子、机壳等的来料和装配过程都密切相关，因此NVH作为一个系统问题，需要成立一个多专业方向、跨部门的项目组，一般由公司领导层牵头，同时质量部门、工艺部门、生产部门、技术部门的同事一起组织成立一个六西格玛小组，并由六西格玛黑带大师负责具体指导。

2.2 测量分析

Measure测量主要包含MSA（Measuring System Analysis）测量系统分析和尺寸测量。在尺寸测量之前，首先需要保证测量系统测得的结果具有较好的一致性，并且可以准确地测量定转子同轴度、叠片高度、垂直度等尺寸，以及电机的振动、电流、转速等物理量。MSA主要是对测量系统的准确性和一致性做分析的。制造产线的测量系统包含了NVH EOL（End of Line）下线检测台架、转子动平衡测量仪、电机轴承压裝力的测量传感器、电机结构尺寸的三坐标测量仪等。

为了保证出厂的电机产品NVH性能是合格的，不会出现振动噪音较大的情况，需要建立NVH EOL下线检测台架，对一段时间内的电机做NVH下线测试，进行时域上的幅值分析，频域上的频谱分析、阶次分析，统计出振动的限值标准，并结合整车NVH测试的反馈，来设置NVH的出厂检测判定标准。基于此标准，对振动值较大的电机做拦截防止不合格品流出，同时对不合格品做故障诊断分析优化，并将改善点加入产线NVH控制计划来加以管控。由于实际生产线所处的环境并非安静的半消声室，产线的环境噪音对NVH EOL台架的声学测量结果干扰较大，因此产线上一般用振动代替声音来检测下线电机的NVH性能，并且需要对NVH EOL测试台架做MSA分析。此外，从制造过程中来说，转子动平衡工艺是影响电机NVH的重要工艺，为了保证转子动平衡测量是准确的，需要做转子动平衡测量仪的MSA分析。一般用P/T值（即Precision/Tolerance，即精度/公差）来衡量测量系统的一致性，可以用公式表示为

NVH的MSA P/T=Precision/Tolerance

=6*σms/公差                     （1）

式（1）中的σms为NVH测量系统的标准差，公差为测量系统的公差。一般来说，NVH相关的P/T值不大于10%能保证较好的测量准确性和一致性，P/T值在10%到30%之间是属于有条件接受的范围，给出相关的合理分析即可接受，超过30%一般不可接受。

车用电机的振动主要分为低频机械振动和电磁力激发的高频电磁振动，当电机的机械转速升高时，机械振动和电磁振动的频率也随之升高。振动频率与振动阶次、电机机械转速（rpm）之间关系为

振动频率（Hz）=振动阶次*电机机械转速（rpm）/60                （2）

例如，当电机机械转速为6000rpm时，机械转频为100 Hz，1阶振动为100Hz，1阶振动一般代表的是与电机转子动平衡相关的振动。对于新能源汽车行业驱动电机常用的8极48槽永磁同步电机，主要的电磁振动阶次为8阶、24阶、48阶和96阶。为了使电机NVH EOL台架的测量系统具有较好的一致性，本研究优化了台架减震和接地方式、以及电机在台架上的安装方式。优化后的NVH EOL台架测得的机械和电磁阶次振动值MSA分析结果如表1所示。