基于V型斜极转子的电动车低速啸叫优化分析

郑 涛，李成涛，邓业宝，张庆军，陈世荣，刘 强

基于V型斜极转子的电动车低速啸叫优化分析

郑 涛，李成涛，邓业宝，张庆军，陈世荣，刘 强

（浙江零跑科技股份有限公司，浙江 杭州 310051）

纯电动汽车低速行驶时特定车速存在明显啸叫声，影响驾驶舒适性。经分析，确认问题车速下啸叫噪声主要由电机48阶噪声贡献，诊断并锁定造成该啸叫问题的关键因素为电磁力激发转子模态。为解决该啸叫问题，将转子斜极方式由线性斜极优化为V型斜极。试验样机验证，V型斜极转子有效降低了问题车速下电机48阶噪声的幅值，显著提升了声品质。

纯电动汽车；驱动电机；48阶噪声；啸叫问题；V型斜极

近年来，出于节能减排等考虑，我国不断出台政策促进新能源汽车行业的发展，电池、电驱和电控等关键技术得到长足进步。人们对新能源汽车的关注点不再仅限于动力、续航及安全等方面，对车内声品质的要求也越来越高。新能源汽车由于没有发动机噪声的掩蔽，驱动电机啸叫噪声显得愈加明显。高频啸叫噪声会引起驾乘人员的不适，严重影响舒适性，这对噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能提出了重大挑战。

驱动电机运行时气隙磁场作用在定子铁心齿上并产生电磁力，其中径向力使机械结构发生主要的振动变形及结构共振是噪声的主要来源。

本文以某纯电动汽车低速行驶时存在的啸叫噪声为研究对象，采用LMS SCADAS 16通道数据采集系统进行数据采集及分析，结合仿真分析，应用V型斜极转子方案，对低速行驶啸叫噪声进行优化。

1 低速行驶啸叫噪声诊断

1.1 问题现象描述

某纯电动汽车在加速10～30 km/h的行驶过程中，存在连续啸叫声。在车速25 km/h附近，啸叫声明显增大，为主观评价主要抱怨问题。

因此，本文主要针对问题车速25 km/h附近的噪声峰值突变进行分析及优化。

1.2 啸叫噪声的诊断分析

1.2.1噪声测试

根据主观评价结果，采集车辆加速过程中车内噪声等相关信号，分析啸叫声产生原因，如图1所示。

图1 驾驶员耳旁麦克风传声器

1.2.2噪声分析

针对该低速行驶啸叫问题，采集到整车加速过程中的车内噪声数据，分析车内主要阶次噪声成分及峰值。车辆加速噪声频谱和48阶噪声分别如图2和图3所示。

图2 整车加速车内噪声频谱

由加速车内噪声频谱及48阶噪声曲线可见，1 300～1 500 Hz频段内存在共振特征，48阶噪声在经过电机转速1 800 r/min（对应车速约25 km/h）时，其幅值被明显放大，峰值大于35 dB(A)，引起乘客抱怨。

为进一步分析问题车速下，48阶噪声出现峰值突变的原因，排除车辆其他影响因素，单独对电驱总成进行分析。

抽取两批次下线电驱总成进行台架测试，分析电驱总成升速时主要阶次噪声的特征。电驱总成升速噪声频谱及48阶噪声曲线分别如图4和图5所示。

图3 整车加速车内48阶噪声曲线

图4 电驱总成台架噪声频谱

图5 电驱总成台架48阶噪声

由台架试验结果可见，两批次电驱总成在升速至1 800 r/min附近时，48阶噪声峰值凸显， 1 300～1 500 Hz存在明显共振带。

48阶噪声在电机转速1 800 r/min附近存在明显峰值突起与车速25 km/h啸叫声变大问题完全对应，确认抱怨问题的根源来自电驱总成。

对电驱总成内部的零部件进行排查分析，采用模态试验方法确认电机定子无1 400 Hz模态，可排除，如图6所示。转子存在频率约为1 400 Hz的模态振型，为共振带来源，如图7所示。

图6 定子主要模态

图7 转子模态

基于以上分析推论，1 800 r/min处48阶噪声峰值产生原因为电磁力激励转子模态导致发生共振，引起噪声突变。

2 低速行驶啸叫噪声的优化

2.1 电机激励分析

气隙磁场中的电磁力为一系列不同频率和不同分布的旋转力波，根据麦克斯韦电磁理论，径向电磁力为

不考虑磁饱和及偏心的情况下，永磁同步电机气隙磁密为

2(,)=(,)×(,) （2）

式中，(,)为气隙磁动势；(,)为气隙磁导。

气隙磁动势由定子基波磁动势、定子谐波磁动势和转子谐波磁动势相互作用产生，产生的力波阶次分别为

定子次谐波

=(61+1),1=0,±1,±2,... （3）

转子次谐波

=(22+1),2=0,1,2,... （4）

式中，为转子极对数。

定转子组合力波阶次

=±（5）

一般分析认为，可能引起电机强烈振动噪声的力波具有以下特点：1）力波幅值较大；2）力波阶次较低；3）力波的力型及变化频率与结构的振型及固有频率接近，引起共振。

与高阶力波相比，低阶力波会引起更强烈的振动，故主要关注产生的0阶力波。根据式（3）—式（5），计算得到力波阶数，如表1所示。

表1 电磁力波阶数表

极对数p=4槽数z=48q10-11-22-33 1-57-1113-1719 υ4-2028-4452-6876 q2 μ 014 0 1312 8-8 2520 0-8 3728 80 4936 51144 0-8 61352 80 71560 81768 0-8 91976 80

=0阶空间力波的力波频率分别为6f、12f、18f,…，其中12f频率分量最大（f为电频率），如图8所示。r=2p阶空间力波的力波频率分别为2f、4f、6f、8f,…，其中2f频率分量最大，如图9所示。

由上述可见，48阶噪声主要贡献为12f电磁力，而12f电磁力由11/13次气隙磁场谐波组合产生。

图8 r=0阶空间电磁力波频率特性

图9 r=2p阶空间电磁力波频率特性

2.2 转子不同斜极方式电磁力分布

线性连续斜极，相邻两段转子叠片角度差为3.75°。V型斜极，第一段和第二段转子叠片角度相差3.75°，成V字型，首末两段叠片角度相同，如图10所示。

(a) 线性斜极 (b) V型斜极

转子斜极方式更改为V型后，确认转子模态未发生明显变化，如图11所示。

图11 转子频响曲线

由仿真分析可见：线性斜极转子12 p电磁力分布近似呈斜线型，频率及力型与转子模态频率及振型耦合，引发严重的结构共振；V型斜极转子电磁力分布呈V型，在转子模态频率不发生明显变化的情况下，电磁力分布有效避开转子振型，大大降低共振风险。如图12和图13所示。

图12 线性斜极电磁力分布

图13 V型斜极电磁力分布图

3 V型斜极转子优化方案验证

针对电机转速1 800 r/min处48阶噪声峰值突变，制作两台搭载V型斜极转子的电驱总成。

图14 V型斜极转子台架48阶噪声

台架验证结果如下：在电机问题转速1 800 r/min附近，48阶噪声峰值降低约23 dB(A)。此外在电机转速3 100 r/min附近，48阶噪声峰值降低约 11 dB(A)，该优化可能与谐波降低存在关联。48阶噪声峰值得到有效降低。

4 总结

本文以某纯电动汽车低速行驶时存在的啸叫噪声为研究对象，采集整车加速工况及台架上电驱总成升速工况的噪声信号，分析问题车速下啸叫噪声为转子模态被激发导致48阶噪声存在明显突变峰值，结合仿真分析，将转子斜极由线性斜极优化为V型斜极，有效降低了问题车速下48阶噪声峰值，成功解决了客户抱怨的问题，也为后续新开发车型的电机设计提供了参考经验。

[1] 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动:理论与应用[M]. 北京:北京理工大学出版社,2006.

[2] 金文辉,邓欣,段龙杨,等.某电驱桥车型Moan噪声分析与优化控制[J].噪声与振动控制,2021,41(4):270-275.

[3] 方源,章桐,冷毅,等.基于齿轮修形的电动车啸叫噪声品质研究[J].振动与冲击,2016,35(9):123-128.

[4] 张守元,李玉军,杨良会.某电动汽车车内噪声改进与声品质提升[J].汽车工程,2016,38(10):1245-1251.

[5] 徐珂,应红亮,黄苏融,等.转子分段斜极对永磁同步电机电磁噪声的削弱影响[J].浙江大学学报(工业版),2019,53(11):2248-2254.

[6] 周祖清.基于转子优化的永磁电机齿槽转矩削弱方法[J].内燃机与配件,2019(16):92-93.

[7] 钱喆,唐光华,王群京,等.转子结构优化削弱车用永磁同步电机振动噪声[J].电机与控制学报,2021,25 (10):122-129.

[8] 王淑旺,王威,范佳伦,等.车用永磁同步电机电磁噪声的分析与优化[J].汽车技术,2019(8):12-15.

[9] 陈永校,诸自强,应善成,等.电机噪声的分析和控制[M].杭州:浙江大学出版社,1987.

Optimization Analysisof Low Speed Whine of Electric Vehicle Based on V-shaped Shew Rotor

ZHENG Tao, LI Chengtao, DENG Yebao, ZHANG Qingjun, CHEN Shirong, LIU Qiang

( Zhejiang Leapmotor Technology Company Limited, Hangzhou 310051, China )

The low speed whine is raised in subjective evaluation of a self-developed electric vehicle. The analyzed results show that the 48th order noise which is excitated by electromagnetic force is the major contribution of the problematic whine. In order to solve the problematic whine, the rotor shew mode is optimized from linear shew to V-shaped shew. Experimental studies show that the 48th order noise can be optimized by using V-shaped shew rotor, the quality of noise is obviously improved.

Pure electric vehicle; Motor drive; 48th order noise; Problematic whine; V-shaped shew rotor

TB533+.2

A

1671-7988(2023)11-36-05

郑涛（1987－），男，工程师，研究方向为噪声与振动控制，E-mail:zhengtaonuzj@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.007