驱动电机零阶模态及振动噪声浅析

来源 | CAE之家

一、电机振动原因

永磁同步驱动电机是电动汽车的核心零部件之一，其性能优劣直接决定了整车的品质。驱动电机的振动会产生严重的噪声污染，影响乘坐舒适性，更重要的是会使其性能有所下降。目前，电动汽车驱动电机的振动和噪音问题一直是我国电动汽车制造的薄弱环节，其技术很难达到国际标准的要求。

一般来说，逆变器控制的驱动电机振动原因可以简要概括四类：

（1）电磁噪声

电机气隙磁场相互作用产生随时间和空间变化的电磁力波，这种电磁力波将引起电机定子和壳体产生振动。定子与壳体的振动进而又引起周围空气的振动即产生电磁噪声。特别是当电磁力波的空间阶数与频率分别与定子结构模态振型与频率接近时，将会引起严重的共振。

（2）机械噪声

驱动电机的机械噪声一般由制造与装配时导致的偏心（静偏心、动偏心、混合偏心、定转子尺寸加工精度不良等）与轴承噪声引起。轴承因温升过高、载荷过大，润滑不良与安装不到位等使其出现异响，加剧轴承噪声。

（3）空气动力噪声

空气动力噪声，多产生于采用风扇自冷的电机。风扇叶片高速旋转，使周围气体产生涡流扰动以及周期性脉动，导致被搅动的气流碰撞散热筋、紧固螺栓和其他突出障碍物而产生噪声。为了减小空气阻力，高速运行的驱动电机转子结构件一般均未采用突出的紧固螺栓及散热筋，致使空气动力噪声在驱动电机领域并不明显。

（4）  开关噪声

控制器开关频率引起的一系列电流谐波，与气隙磁场相互作用产生的力波作用在定子上使其产生高频的振动噪声。开关噪声与其控制有直接相关，采用rPWM可以很好地削弱开关噪声。

二、电机模态与振动的关系

（1）电磁力波特性

 驱动电机运行中，定、转子磁场相互作用产生切向与径向电磁力波并引起电机的振动和噪声是电磁噪声的主要来源。解析分析电机电磁力波如下表所示。电磁力波分布如下图所示。 

（2）电机模态主要特征

机械振动一般是由多个激励源叠加后的共同作用效果，每一个振型，都有一个振动频率，即固有频率。当外界激励激起某个结构振型，并且激励频率又接近那个振型的固有频率时，就会发生共振。模态分析是针对机械结构确定其振动形态与频率的技术方法。因此，研究电机的振动噪声特性，首先要计算出电机及其主要零部件的固有频率，即进行模态分析。驱动电机的电磁振动与噪声主要来源于定子和壳体的振动，并通过电机的壳体向外辐射噪声。因此定子模态在驱动电机本体的振动分析显得至关重要。将定子近似环形，其径向振型如图所示。

(3)   电机振动主要特征

（I）当电磁激励的空间阶数、频率与模态的振型与频率接近时，发生电磁共振。如下图所示。

（II）一般地，电机振动位移与激励成正比，与其结构的弹性模量成反比、与空间振型模数的四次方成反比等。

三、驱动电机零阶模态及噪声说明

(1) 案例一

Smart 车的近场噪声如下图所示，Smart驱动电机采用博世电机（极槽配合为6/36）。

电机引起整个总成振动最大振动阶次为36。

第一处36阶在1.7KHz，如图中a处。（根据分析与计算认为此处为零阶扭转模态或转子静偏心所为）。

第二处36阶在3.7KHz，如图中b处。作者提及电机单体测试时，在此处及传递路径中并没有发现，但在与总成测试过程中，发现在在齿轮端出现了此噪声，由此可以推测为电机扭转引起总成噪声变化。

第三处36阶在5-6KHz，如图中c处。模态仿真分析确定电机零阶模态频率在5kHz左右。通过实验（经验等）校核得知一般零阶模态频率约高于仿真值，由此可以估计驱动电机零阶频率约在5-6kHz这个范围。故此范围的振动极大可能由零阶模态共振引起。

另外，电机控制器的开关频率引起的一系列电流谐波与电机气隙磁场相互作用产生的电磁力波。如上图d处。其分布特征

其中k1与k2同时取奇偶。其中d 处在与72阶相交处易引起0阶模态（即breathing mode）共振。

Smart for two搭载了一两级单档箱，其齿轮配合分别为21、46、17、77，速比为9.922 ，因此在二级齿轮轴与电机输出轴端及半轴输出端齿轮啮合过程将会产生两类噪声。一级齿轮轴有21个齿，在齿轮啮合中，电机旋转1圈齿轮啮合响应21次，故此将产生21阶噪声以及其倍数阶次42，63等。同理可推导出输出端产生7.76阶以及其倍数为15.52、23.28等阶次如图中蓝色线所示。

由于车内隔音阻尼作用，高阶次噪声削弱严重，Smart for two电动汽车车内噪声如上图所示， 车内表现比较严重只有电机的36阶与齿轮的21阶。

(2) 案例二

Nissan Leaf这款车采用极槽配合为8/48的永磁同步电机，其主要振型为0阶与8阶。0阶模态与8阶模态频率分别约为6.8kHz与10.2kHz，其振动噪声频谱图如下图所示。齿轮啮合产生的噪声阶次，在此不再重述。电机控制器开关频率与电机工作电流作用产生的电磁力波与上面分析相同，只不过，此处采用变开关频率，分别采用了5k与10k的开关频率。a、b两处由0阶模态共振引起，据分析，a 处可能激励起端盖的0阶模态，b处有两种可能的解释，其一，可能由激励与轴向0阶模态作用引起，其二，是壳体（冷却水套）产生了额外的0阶相关的模态频率。c、d两处由0阶扭转共振引起。由此可以得出0阶模态在驱动电机振动噪声起着关键的作用。

四、结束语

从上述案例分析可知，在当今电动汽车永磁驱动电机中，呼吸模态很容易引起振动噪声问题，需要工程师提起足够的重视。