新能源车电机负载工况振动噪声试验研究
文章的研究结论为电机的结构优化提供了指导方向。
关键词：驱动电机;声功率级;噪声源识别;负载影响
中图分类号：U467.4+93 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2019）14-24-04
Abstract： Drive motor is one of the main noise sources of clean energy vehicle. The noise and vibration of drive motor needs to be measured and evaluated before the vehicle is developed. This paper designed the method to measure the sound power levels of motor under different working conditions based on the motor bench in the hemi-anechoic chamber. At the same time， the vibration levels of different components of the motor are measured. Then the relation of motor sound power levels with rotational speed and torque is analyzed. After that the time-frequency analysis and order analysis are used to identify the noise sources， and the motor noise behaviors with and without loads are compared. The study reveals some conclusions. Generally the motor sound power level increase with the rotational speed and torque. Under working conditions with loads， the main order noise of the motor is radiated from the motor end surface and the low order noise is radiated from the motor controller surface. While under working conditions without loads， the low order noise from motor controller surface is dominant. The study in this paper provides useful instruction for the optimization of motor structure.
Keywords： drive motor; sound power level; noise source identification; load influence
CLC NO.： U467.4+93 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2019）14-24-04
前言
電动汽车作为一种国家大力提倡发展的新能源汽车，是节能环保型交通工具。驱动电机是电动汽车最重要部件之一。但因为车内空间小，离电机近的原因，其噪声问题较一般工业电机更为突出。电动汽车驱动电机的噪声过大会极大影响整车驾乘的舒适性，对电动汽车的整体品质产生明显影响。
目前电机振动噪声研究中多以仿真计算为主，其中电磁力的计算可以达到较为准确的水平，但是到了实际工况振动噪声的计算，就很难达到较高的准确度，仅可用于定性的分析[1]-[2]。目前关于试验方面的研究，大多是电机空载工况的振动噪声测试，有部分学者测试负载工况，但是没有消声环境，很难得到电机实际工况的声功率级[3]。为了更深入的研究电机本体在各种工况下的振动噪声水平，需要在半消声室中基于静音台架对电机进行振动噪声测试。
本文对于新能源车驱动电机的振动噪声特性进行深入研究。首先基于半消声室的电机台架，确定声功率级测试方法，对于电机不同负载工况进行测试，得到电机声功率级与转速扭矩的分布关系。然后对电机噪声主要成分来源进行识别分析，进一步比较电机有无负载对电机噪声特征的影响。为电机辐射噪声的优化提供指导方向。
1 电机声功率级测试方法
对于新能源车驱动电机，其负载工况振动噪声特性对整车NVH水平有直接影响。为了研究电机负载工况噪声，需要在试验室中进行其声功率测试及噪声源分析。首先基于试验室条件，参考标准ISO 3744-2010设计试验室中根据声压法测定噪声源声功率级的方法。在试验室中，对于被测电机，安装中心轴高度高于355mm，采用平行六面体法布置测点。测点布置位置如图1所示。
2 电机负载工况声功率级台架测试
基于半消声室中的台架，对电机振动噪声进行测试，被测电机是4对极72槽永磁电机。基于图1所示的平行六面体法测声功率的电机测试台架实物及测点布置如图2所示，振动测点包括电机壳体侧面，电机端面，电机控制器表面等位置。电机测试工况涵盖电动车上常用工况的扭矩和转速，扭矩范围为0-200Nm，转速范围为1000-8000rpm。
基于电机台架测得不同扭矩不同转速下的电机噪声，根据式（2）计算出各个工况下的声功率级。电机声功率级随转速和扭矩的关系如图3所示。整体上，电机转速越高，负载扭矩越大，声功率级越高。其中高转速高扭矩下的部分工况声功率级较低，是因为电机在高转速下，无法达到最大扭矩，实际扭矩比目标扭矩偏小，所以声功率级有所降低。
3 电机负载工况噪声源分析
基于电机加速负载工况的测试结果深入分析电机的振动噪声特性。该工况下噪声频谱和阶次谱如图4所示。
（a）电机负载工况噪声频谱图
（b）电机负载工况噪声阶次谱
图4 电机负载工况噪声特征
由频谱图可知，电机噪声中包含明显的控制器开关频率及其边频噪声，在阶次噪声中电机极对数（4对极）的6k（k= 1，2，3） 阶噪声最为突出，尤其是72阶噪声最为突出，原因是径向电磁力中的72阶激励成分与72槽的定子结构共同引起。另外还有明显的低频成分，由阶次谱可知这是小于15阶的低阶次噪声。
为了识别噪声主要成分的来源，进一步对振动信号进行分析。提取上述工况的电机控制器、电机侧面及电机端面处的振动信号，进行阶次谱分析，如图5所示。由图可知，电机最为突出的72阶成分主要由电机端面振动辐射产生。而低阶次噪声是主要由电机控制器表面辐射产生。虽然控制器表面振动量级不大，但其壳体平板表面积较大，所以对总体噪声有明显贡献。进一步对控制器低频振动分析如图6，可知在各转速下，低阶次成分激起了控制器的结构模态，所以产生较大振动进而辐射噪声。若要优化电机辐射噪声，可以从电机端面和控制器结构入手[4]。
4 电机空载噪声特征分析
上述为带负载工况电机的噪声特征。更进一步的，为了研究有无负载对电机噪声的影响，测试电机负载为0时的噪声，提取其加速工况的阶次谱，如图7所示。
通过图7和图4的对比分析，发现电机无负载时，其噪声特征比较简单，仅有低阶次噪声和72阶噪声，其他阶次噪声不明显。其中低阶次噪聲是由控制器的结构模态引起。而与负载工况噪声不同的是，无负载时电机72阶噪声成分比低阶次成分更小，原因是无负载时，72阶电磁力较小，仅仅由72槽的定子结构引起72阶噪声，所以幅值较小。
5 结论
本文首先参考标准设计制定了基于半消声室中电机台架的电机声功率级测试方法。测试表明电机声功率级整体随转速和扭矩的增大而增大。通过噪声源分析表明，负载工况的电机主要阶次的电磁噪声主要由电机端面辐射产生，低阶次的噪声主要由控制器辐射产生。电机无负载时，控制器辐射的低阶次噪声为主要成分。若采用结构优化的方法来改善电机辐射噪声，可以对电机端面结构和控制器的结构进行相应优化。
参考文献
[1] FU Lin， ShuguangZuo， Wenzhe Deng， et al. Modeling and Analysis of Electromagnetic Force， Vibration and Noise in Permanent-Mag -net Synchronous Motor Considering Current Harmonics[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2016， 63（12）： 7455- 7466.
[2] Ma Conggan， ZuoShuguang. Black-box Method of Identification and Diagnosis of Abnormal Noise Sources of Permanent Magnet Synch -ronous Machines for Electric Vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014， 61（10）： 5538-5549.
[3] 左曙光，相龙洋，何吕昌等.电动汽车及其驱动永磁电机声振特性试验[J].振动、测试与诊断，2014，34（1）： 90-94.
[4] Longyang Xiang， ShuguangZuo， Lvchang He， et al. Optimization of Interior Permanent Magnet Motor on Electric Vehicles to Reduce Vibration Caused by the Radial Force[J]. Applied computional elect -romagnetics society journal， 2014，29（4）：340-350.