电机系统NVH综述

NVH基本概念分贝（dB）是个无量纲单位1dB=10lg𝑊𝑊0=10lg𝑋𝑋02=20lg𝑋𝑋0功率之比幅值之比•人耳敏感频率范围1000Hz-6000Hz•人耳可听分贝范围0-120dB近场和远场半消音室近场远场2倍波长至无限远处混响室电机系统近场测试距离一般为0.1m，远场测试距离为0.5m或1m。汽车行业常用半消音室进行NVH测试；混响室内不同位置声压级基本相同，常采用混响室作为声源，消音室作为测试室来测量汽车门窗等零部件的隔声特性。电动汽车NVH特征及其电驱动系统特征传统燃油车•阶次特征：发动机发火阶次及谐阶次为主•频率特征：以低频和中频为主•噪声：轰鸣动力声品质速度(km/h)频率(Hz)频率(Hz)0Hz100Hz250Hz1000Hz5000Hz10000Hz风噪路面及轮胎噪声发动机及动力系统噪声风噪路面及轮胎噪声机械噪声空气噪声电驱系统噪声传统燃油车速度(km/h)电动汽车人耳敏感频率范围0Hz100Hz250Hz1000Hz5000Hz10000Hz电动汽车•阶次特征：电机阶次、电控阶次、减速器阶次•频率特征：以高频为主•噪声：啸叫•特点：无发动机掩蔽效应，声压级低，但频率高，穿越了人耳的敏感频率区。电动汽车电驱系统的特征：高速、高功率、高扭矩，意味着带来更大的电磁力和机械激振力；高度集成化，意味着系统耦合更加复杂；驱动电机主要类型•永磁励磁产生同步旋转磁场•优点：高效率、高功率密度•缺点：成本高、高温退磁永磁同步电机PMSM•气隙旋转磁场与转子感应电流相互作用•优点：成本低、无退磁风险，无反电势•缺点：功率密度较低、调速性能差感应异步电机IM•优点：成本低，可靠性好•缺点：转矩波动和振动噪声大，车用少开关磁阻电机PMSM驱动电机基本工作原理•直流电通过IGBT转换成交流电，交流电输入到定子绕组上产生旋转的磁场，旋转的磁场与转子永磁体磁场相互作用产生电磁力矩驱动，电磁力矩通过旋转轴输出。电机系统噪声分类和主要阶次分布电机系统噪声•径向、切向、轴向电磁力•转矩脉动•磁滞伸缩•不平衡磁拉力•PWM脉宽调制•电流谐波失真•动不平衡噪声•轴承异响•结构共振电磁噪声电控噪声机械噪声电磁力作用阶次，典型48、72阶次轴承异响阶次，典型3.6等阶次转子系统动不平衡引起的1阶次振动噪声定转子不对中引起的0阶次、2阶次振动噪声PWM脉宽调制产生off-zero谐波伞状阶次电机系统电磁力与定子模态电磁力波由定转子气隙谐波磁场产生•径向力（麦克斯韦力）：使定子产生径向变形和周期振动，是电磁噪声的主要来源；•切向力（洛仑兹力）：产生了电磁转矩，同时又与转矩脉动相关，是电磁噪声的次要来源；•轴向力：转子斜极次生力，引起转子系统轴向窜动，对电磁噪有一定影响。•径向力波来源于定子磁场、转子磁场和定转子磁场相互作用；•气隙磁密和径向力满足时间和空间的函数；•径向电磁力波幅值正比于气隙磁密的平方，反比于空气磁导率；•当力波阶次和频率与结构的振型阶次和频率一致时，产生强烈的共振。电磁径向力波的时空二相性三要素径向力波幅值径向力波频率径向力波阶次电机系统电磁力与定子模态圆柱模态理论：•通过正整数(i,j)描述圆柱模态•i周向最大极个数（周向空间阶次）•j轴向节点圆个数（位移为0的截面）•呼吸模态与椭圆模态一般为电机振动的主要贡献模态；•1,3,5阶次模态主要由不平衡磁拉力产生；•定子模态要进行实验模态分析以修正仿真参数；(3,0)(3,1)(2,0)(0,0)电机系统转矩脉动转矩脉动纹波转矩齿槽转矩电机本体侧原因：•磁路饱和、凸极效应等引起的谐波磁场；•不平衡磁拉力；•转子动不平衡；•制造误差，如磁钢装配位置偏差，铁芯叠厚误差。措施：•优化槽极比，如48槽8极，72槽12极；•斜槽或斜极，如定子一字斜，转子一字、V字斜极；•槽口宽度，如不规则分布槽口宽度；•开辅助槽，如定子齿部开辅助槽；•优化极弧系数使得气隙磁场正弦化；•磁极偏移非对称分布。控制侧原因：•位置传感器（如旋变）误差；•电流传感器误差；•PWM脉宽调制、IGBT死区等引起的电流谐波。措施：•位置传感器的装配精度优化；•优化IGBT死区补偿，如无死区开关控制模式，时间补偿、电压补偿，谐波抑制等；•抑制谐波电流，例如用低通滤波器剔除5、7次电流谐波；•主动谐波注入。电机噪声之电控阶次PWM脉宽调制：根据冲量相等但幅值不同的窄脉冲的输出效果基本相同的原则，用一系列等幅值但宽度不同的脉冲来替代正弦波。电机的高频噪声中最突出的即为PWM开关频率噪声，发出“吱吱”“叽叽”的高频啸叫。Off-zeroorder特征：•起始点不是零点，而是某些特定的频率，这是因为信号受到了调制的结果；•特定频率是载波频率，两侧的伞状阶次是调制波频率及其谐频；•载波频率是原始脉冲对应的频率，调制波是想要得到的正弦波的频率。抑制策略：•改变开关频率；•改变开关策略，如采用离散PWM、随机PWM；•谐波电流优化。电驱系统之扭转振动结构振动传递路径：•通过悬置传递到车身；•减速器-差速器-半桥，轴系极易出现扭转振动等NVH问题。AirBorneStructureBorneAirBorne加减速共振•扭矩激励频率和固有频率相同发生共振•阶跃激振优化方法：•阶次分离•主动扭矩补偿齿轮啸叫•转矩脉动启动抖动•转子动平衡•阶跃激振优化方法：•提高动平衡等级•主动扭矩补偿悬置•增强悬置刚度•采用隔振材料增加阻尼电机系统噪声开发流程控制器相电流电磁模型气隙磁密波形定子齿部电磁力波分布结构模态仿真电磁力与结构模态耦合计算动态响应与噪声分析振动噪声辐射NVH测试诊断判断是否满足要求阶次分析故障原因分析电磁力优化结构模态优化机械噪声优化电流优化不满足