基于某款純電動汽車永磁同步電機不同轉子磁鋼結構對噪聲影響的分析

0 引言

永磁同步電動機因其體積小、質量輕、效率高等特點被廣泛用于純電動汽車。作為純電動汽車的動力源，和傳統汽車一樣，是產生整車噪聲的一個主要來源。而不一樣的是和傳統汽油車相比，純電動汽車的動力源永磁同步電機產生的高頻噪聲，尖銳刺耳讓人難以忍受，造成的危害更大，影響駕駛員和乘客的身心健康。噪聲作為電機的主要質量指標之一^[1]，其噪聲的大小決定了整車的舒適性。

本文基于對某款純電動汽車車用永磁同步驅動電機噪聲進行測試和分析，數據上發現全油門加速工況車速在25Km/h~75Km/h對應電機轉速1500r/min~6000r/min之間的48階次噪聲聲壓級較高，人耳也能明顯聽出高頻刺耳嘯叫聲^[2]。因電機已量產，重新設計電機的磁路結構成本高、周期長、產線也需要大變，花費代價太高，本文在僅改變轉子磁鋼結構的基礎上優化永磁同步驅動電機48階次噪聲，以較小的代價控制其聲壓級以達到可接受范圍。

圖一 車內駕駛員右耳噪聲階次彩圖

1 純電動汽車驅動電機噪聲分析

在全油門加速工況下，測試車內駕駛員右耳噪聲數據，繪制出48階次彩圖，如圖一所示^[3]。整車車速在25Km/h~75Km/h對應電機轉速1500r/min~6000r/min之間的48階次噪聲聲壓級較高，整車內電磁噪聲明顯。下面通過改變轉子磁鋼結構來分析其對48階次噪聲的影響。

2 驅動電機轉子磁鋼優化分析

電機的電磁噪聲主要是由電機內部振動而產生，各階次的諧波會引起振動，削弱各階次的諧波對電磁噪聲的改善起到很大作用，而轉子分段斜極是一種能有效削弱齒諧波、改善電機齒槽轉矩和轉矩脈動的常用方法^[3]。

圖二 某新能源電動汽車初始轉子磁鋼示意圖

2.1 原電機轉子磁鋼兩段式斜極結構

圖二所示為某新能源電動汽車初始轉子磁鋼示意圖，轉子磁鋼分為兩段式，為兩段式斜極結構。為找出效果較好轉子磁鋼方案進行整車搭載驗證，測試兩段式斜極臺架數據與優化后的轉子磁鋼方案對比，選出臺架測試最優方案。電機運行工況：模擬整車全油門加速。

圖三所示為兩段式斜極在臺架上測試數據，測試轉速為1500到6000轉，匹配整車在此轉速段的噪聲。數據上可看出此轉速段48階次噪聲在70分貝以上，最高達80分貝以上，駕駛員在駕駛室內能明顯感受到尖銳的電磁噪聲。

圖三 兩段式斜極臺架測試數據圖

2.2 4段式斜極V型結構

圖四所示為4段式斜極V型結構轉子磁鋼示意圖，改變磁鋼結構到V型，電機運行工況：模擬整車全油門加速。

圖四  4段式斜極V型轉子結構示意圖

4段式斜極V型結構的噪聲測試結果如圖五所示，其48階次噪聲在1600r·min-1~1900r·min-1轉速段及3900 r·min-1噪聲反而升高，此方案使得噪聲效果變差。

圖五 4段式斜極V型結構臺架測試數據圖

2.3 4段斜極ZigZag結構

圖六所示為4段斜極ZigZag結構轉子磁鋼示意圖，磁鋼采用四段式交叉布置。電機運行工況：模擬整車全油門加速。

圖六 4段斜極ZigZag結構轉子磁鋼示意圖

4段斜極ZigZag結構轉子磁鋼示意圖噪聲測試結果如圖七所示，其48階次噪聲在1500r·min-1~3000r·min-1轉速段及4600 r·min-1以上有一定的改善效果，噪聲降低約4dB，全轉速段的噪聲平均值低于優化前。

圖七  4段斜極ZigZag結構臺架測試數據圖

2.4  6段斜極ZigZag結構

圖八所示為6段斜極ZigZag結構轉子磁鋼示意圖，磁鋼采用6段式段式交叉布置。電機運行工況：模擬整車全油門加速。

圖八 6段斜極ZigZag結構轉子磁鋼示意圖

優化前后的噪聲測試結果如圖九所示。優化后的方案其48階次噪聲在2300r·min-1之前噪聲效果變差，高于優化前2-6dB，2300r·min-1以上改善效果較明顯，噪聲降低最大值達到15dB，全轉速段的噪聲的平均值遠小于優化前。，此方案配合低轉速段噪聲抑制方案也可使得整車有個較好的噪聲效果。

圖九 6段斜極ZigZag結構臺架測試數據圖

2.5  4段斜槽平行結構

圖十所示為4段斜槽平行結構轉子磁鋼示意圖，磁鋼采用4段式平行斜槽布置。電機運行工況：模擬整車全油門加速。

圖十 4段斜槽平行結構轉子磁鋼示意圖

4段斜槽平行結構的噪聲測試結果如圖十一所示，其48階次噪聲在全轉速段都有改善效果，低轉速段效果比較明顯，降幅達6~15dB。因低速段工況駕駛員使用頻率較高，采用此方案能達到較好的結果。

圖十一  4段斜槽平行結構結構臺架測試數據圖

3 總結

本文從驅動電機轉子磁鋼結構方面進行臺架的測試與驗證。測試結果顯示不同轉子磁鋼結構對噪聲的表現差異較大，4段式斜極V型結構多噪聲不僅沒有改善反而使得噪聲效果變差。4段斜極ZigZag結構和6段斜極ZigZag結構僅對部分轉速段有一定的改善。6段斜極ZigZag結構方案配合低轉速段噪聲抑制方案也可使得整車有個較好的噪聲效果。4段斜槽平行結構對48階次噪聲改善效果比較大，低速段降幅達6~15dB，48階次噪聲降低到較好的水平，5000轉以下也是城市工況最常用轉速段，采用此方案可提高整車的噪聲表現。

參考文獻：

[1] 陳永校,諸自強,應善成. 電機噪聲的分析和控制[M]. 浙江：浙江大學出版社, 1987

[2] 陳士剛,沙文瀚,杭孟荀,等. 某款純電動汽車用驅動電機噪聲分析[J]. 汽車零部件, 2019(1):22-24

[3] 姚學松，陶文勇.某款電動汽車驅動用永磁同步電機噪聲分析[J]. 汽車零部件,2019,26(12):74-77

（注：本文來源于《電子產品世界》雜志2020年10月期）