电动汽车动力总成噪声分析与优化研究（电动汽车动力总成噪声分析与优化方案）

摘要：

为了找出电动汽车动力总成中阶次噪声的来源，本文采用阶次分析方法对减速机噪声进行分析，发现减速机噪声可能的阶数为9.5、21以及两者的整数倍；利用有限元软件建立驱动电机的二维电磁仿真模型，分析计算驱动电机的径向电磁力；通过二维傅立叶变换，将径向电磁力在空间和时间上进行分解，得到径向电磁力的空间阶及其包含的频率阶。此时发现，空间第0阶和频率第48阶的径向电磁力对驱动电机的电磁噪声贡献最大；提出了一种声学包裹方法来优化动力总成噪声。测试结果表明，绕包后，驱动电机和减速机输出级的近场噪声分别降低了6.1和4.9dB。该方法对于动力总成噪声优化具有参考意义。

0 前言

随着汽车制造技术的不断发展，汽车舒适性已成为消费者的主要需求。动力总成是纯电动汽车的动力源泉，其振动和噪声性能是影响车辆舒适性的关键因素。纯电动汽车的动力总成由电机和减速器组成。永磁同步电机因其体积小、功率密度高而广泛应用于电动汽车中。永磁同步电机的电磁噪声和减速机的啸叫噪声是纯电动汽车NVH（噪声振动与声振粗糙度）开发中常见的问题。对以上两类噪声进行优化是提高纯电动汽车动力总成NVH性能的重要手段。

目前，国内外针对减速机齿轮啸叫噪声和永磁同步电机电磁噪声的研究较多。减速机啸叫是由于内齿轮在啮合传动时受到不稳定的激振力以及啮合过程中的传动误差而引起的中高频噪声。其优化大多是通过对齿轮进行微修整来改善齿轮的啮合。情况。

永磁同步电机电磁噪声的来源是电机内部气隙中各谐波磁场产生的交变电磁力。电磁力具有切向和径向分量。径向电磁力是引起电磁振动和噪声的主要因素。它导致定子铁芯沿径向振动。径向振动产生的噪声是电机电磁噪声的主要成分。

优化永磁同步电机：电磁噪声的方法主要有两种：改变电机的机械结构； 降低电枢电流的谐波含量。

本文以某车型纯电动汽车动力总成为研究对象。首先分析了动力总成减速器的阶次噪声；然后分析动力总成驱动电机的径向电磁力特性，并利用Maxwell软件进行仿真。识别电机可能产生的噪声阶次；最后提出了利用声学封装降低动力总成噪声的优化措施，并进行了实验验证。

1 动力总成噪声源分析

本文研究的动力总成如图1所示。

图1 动力总成

1.1 减速机噪声

电动车减速机最常见的噪音是齿轮啸叫噪音。齿轮啸叫噪声是与转速相关的信号，常采用等角采样阶次分析方法进行分析。啸叫噪声的顺序与齿轮齿数和各级齿轮传动比有关。订单计算公式为：

(1)

其中，O为阶数； f为齿轮啮合频率； n为电机输出轴转速。

本文研究的动力总成减速器为两级齿轮减速，第一级齿轮比为21/53，第二级齿轮比为24/79。因此，齿轮啸叫噪声的阶数为21阶、9.5阶及其整数倍。

1.2 永磁同步电机噪声

1.2.1 电机电磁力分析

电磁噪声是永磁同步电机的主要噪声源。它主要是由定子和转子之间的气隙磁场产生的交变电磁力作用于定子表面引起的。因此，分析电磁噪声首先需要计算电磁力。

在永磁同步电机中，电磁力的切向分量远小于径向分量。为了简化计算，通常忽略切向分量对电机噪声的影响，仅考虑径向电磁力的影响。根据麦克斯韦应力张量法，定子表面单位面积上的径向电磁力pn(,t)瞬时值为：

(2)

其中，0=410-7H/m； bn(,t) 为气隙磁密度； t 是时间； 是空间角。

忽略磁饱和时，气隙磁密度bn(,t)的表达式为：

bn(,t)=f(,t)(,t)

(3)

其中，f(,t)为气隙磁势； (,t) 是气隙磁导。

本文研究的动力总成驱动电机为内置式永磁同步电机。电机正常运行时，气隙磁势f(,t)由定子绕组谐波磁势、转子永磁体谐波磁势及其基波合成磁势组成。电机转子是光滑的，定子是开槽的。气隙磁导(,t)可表示为：

(4)

其中，0为单位面积气隙磁导的常数部分； k 是气隙磁导的k 次谐波幅度； Z为定子槽数； 为气隙长度； Kc 是卡特系数。空间r阶径向电磁力波的m次谐波大小为：

pr,m=pmcos(m1t-r-m)

(5)

其中，pm为径向电磁力波的振幅，m=1,n。

合成的空间r阶径向电磁力波大小为：

pr=pr,1+pr,2+…+pr,m+…+pr,n=

(6)

其中am(t)和bm(t)是与电机转速相关的系数。

由式(6)可知，除0阶空间径向电磁力波外，其余r阶空间径向电磁力波均由空间正弦波形sin(r)和空间余弦波形cos组成(r)。

综合所有空间级的径向电磁力波得到的径向电磁力波pn(,t)的表达式为：

(7)

其中，R为力波的空间阶数。

对于整槽永磁同步电机来说，电磁噪声的主要来源是定子和转子高次谐波磁场的相互作用。定子绕组磁场谐波次数为：

v=(6k1+1)p,k1=1,2,3,…

(8)

其中，p为电机极对数。

转子谐波磁场的谐波次数为：

=(2k2+1)p,k2=1,2,3,…

(9)

因此，定子和转子的谐波磁场相互作用产生的径向电磁力波的阶数为：

(10)

由式(10)可知，整槽永磁同步电机的径向电磁力波的空间阶数可以为0或者等于电机极数的整数倍。本文研究的动力总成驱动电机为8极48槽永磁同步电机，因此其径向电磁力波的空间阶数可能为0、8、16等。

1.2.2 径向电磁力仿真分析

径向电磁力在空间中周期性分布，同时空间中各点的径向电磁力随时间周期性变化。过去许多学者只对径向电磁力在时间或空间上进行一维调和分析，即只对空间某一点随时间变化的径向电磁力进行调和分析，或者只对空间上的某一点进行调和分析。某一时刻随空间角度变化的径向电磁力的谐波分析。对径向电磁力的谐波分析不能很好地分析电机径向电磁力的时空分布规律。本文建立了电机二维电磁有限元模型，采用时间步有限元法模拟了最高转速11 000 r/min、峰值功率110千瓦。该电机的仿真参数如表1所示，其绕组形式为双层绕组。电机二维电磁有限元模型如图2所示。

表1 电机仿真参数

图2 驱动电机电磁有限元模型

电机径向电磁力时空分布如图3所示。

从文献[15]可以看出，只有当径向电磁力的空间阶数等于电机的径向模态阶数且该阶数的径向电磁力所包含的频率接近电机模态频率时相应的顺序，电机就会发生共振。因此，利用二维傅里叶变换对在空间和时间上周期性变化的径向电磁力进行分解，得到径向电磁力的空间阶次以及每个阶次所包含的频率，如图4a所示；对于旋转机械，常采用阶次分析法来分析噪声，选取电机输出轴的旋转频率作为参考频率，将径向电磁力时空分解得到的各阶频率转化为相应的阶次频率。频率顺序，如图4b所示。

图3 径向电磁力时空分布

图4 径向电磁力二维时空分解

电机径向电磁力的仿真分析结果表明，径向电磁力的空间阶数为0、8，与解析分析结果一致；径向电磁力的频率阶数为0、8、16等，是电机极数的整数倍。

径向电磁力的空间阶数越低，电机变形引起的相邻两个节点之间的距离越远，电机的径向变形越大。作用在定子表面上的径向电磁力产生的振动位移与空间阶数的四次方成反比。因此，通常只考虑空间阶数为04的径向电磁力对电机振动噪声的贡献。从图4可以看出，本文研究的动力总成驱动电机径向电磁力的空间阶数仅存在于0阶和4阶之间的0阶。因此，空间阶数为0的径向电磁力是驱动电机中的主要噪声源。包含频率阶数为0、24、48。其中，径向力波的频率阶数为0，代表力波。不随时间变化，对噪声的贡献为0，且48阶电磁力的幅值约为24阶电磁力幅值的2倍，则0阶径向电磁力在空间上的贡献和电机噪声最大值频率的第48 阶。

2 动力总成噪声测试分析

将动力总成安装在车辆上，使用Millerbeam的数据采集设备对车辆全油门加速到80公里/小时时的动力总成进行近场噪声测试。使用两个麦克风分别采集驱动电机近场和减速器输出级近场的噪声数据。麦克风与电机轴线在同一水平面上，麦克风头分别面向减速器外壳和电机外壳，距离为20cm，如图5所示。

图5 动力总成测试布局

当车辆从静止全油门均匀加速至80 km/h时，驱动电机近场和减速器输出级近场A计权声压级时频图如图所示6.

图6测试结果表明，电机近场和减速机输出级的主阶噪声均为9.5、19、21、42、48阶。其中9.5、21、19、42阶为减速机齿轮啮合引起的啸叫噪声及其倍频噪声； 48阶是电机径向电磁力引起的电磁噪声。

当电机转速为2660r/min时，电机近场噪声在2145Hz频率处突变。这是由于对应于空间0阶和频率48阶径向电磁力的频率和功率组件。模态试验得到的驱动电机呼吸模式频率接近2 173 Hz，引起电机共振。减速机在电机转速4 0005 550 r/min范围内产生明显的啸叫噪声。

图6 A计权声压级时频图

电机近场噪声和减速机输出级近场噪声各阶噪声贡献分析结果如图7所示。

从图7可以看出，电机转速为2660 r/min时，电机近场噪声达到峰值，总声压级为102.7 dB。其中，48阶电磁噪声贡献最大，24阶电磁噪声贡献相对较小；减速机输出级近场噪声在电机转速为5335 r/min时达到峰值，总声压级为98.0 dB。齿轮啮合产生的各阶噪声的贡献大致相同。

因此，优化该动力总成的噪声主要是改善驱动电机的48阶电磁噪声和减速器的齿轮啮合噪声。

图7 阶次噪声贡献分析结果

3 噪声优化措施及实验验证

噪声优化一般从噪声源控制和噪声传播路径控制两个方面入手。

本文从控制噪声传播路径入手，采用吸声材料对动力总成进行声学包裹，利用吸声材料的吸声特性来降低动力总成的辐射噪声。声学包裹后的动力总成和测试布局如图8所示。测试布局与包裹前相同。

图8 封装后动力总成测试布局

动力总成经过声学包裹后，车辆匀速加速时，驱动电机近场和减速器输出级近场的A计权声压级时频图如图9所示。全油门静止至80 公里/小时。

封装前后电机近场噪声总声压级、48阶电磁噪声对比、封装前后减速机输出级近场噪声总声压级对比封装如图10所示。

从图9中可以看出，对动力总成进行声学包裹后，转速为2 660 r/min、频率为2 145 Hz时电机近场噪声突变点消失；减速器输出级各阶近场噪声显着降低。

从图10可以看出，绕包后电机近场噪声突变点峰值有所改善，总声压级在转速3620 r/min时达到峰值96.6 dB，比绕包前噪声降低6.1 dB，包含48 2660 r/min转速下的一阶电磁噪声突变明显改善；减速机输出级近场噪声在转速为5145r/min时达到峰值，总声压级为93.1dB，比封装前降低了4.9。 D b。

上述结果表明，声学包裹对动力总成噪声具有显着的优化效果。

图9 缠绕后A计权声压级时频图

图10 封装前后噪声对比

4。结论

本文以额定功率40kW、峰值功率110kW的电动汽车动力总成为研究对象，对减速器噪声源进行阶次分析；利用有限元软件对驱动电机的径向电磁力进行分析，并利用二维傅里叶变换进行二维时空分解，得到驱动电机电磁噪声的主要空间阶次和频率阶次。驱动电机。对动力总成噪声进行了测试，提出了声学包裹方法对噪声进行优化并进行了实验验证。

本文的研究得出以下结论：

(1)减速机的齿轮啸叫噪声和驱动电机的电磁噪声是动力总成噪声的主要来源。当驱动电机的空间0阶径向电磁力所包含的频率接近驱动电机的呼吸模式频率时，会引起电机的共振，使动力总成的噪声水平恶化。

（2）通过对动力总成进行声学包裹，电机和减速机输出级的近场噪声分别降低了6.1和4.9 dB，优化效果显着。该方法对于动力总成噪声优化具有一定的参考意义。

作者：林巨光、谢涛辉丨合肥工业大学

审稿编辑：唐子红