驱动电机NVH问题治理的原理·过程·方法（中）

驱动电机NVH问题治理的原理·过程·方法（中）
前言
在该系列的上篇中我们讲述了单电机本体产生振动噪音的机理。

这一讲我们拓宽视野，将电机放置在系统中去理解问题。

去思考在总成和车辆系统下电机发生NVH问题的机理。

切题：电机是如何影响NVH舒适性
电机产生的振动和噪音往往通过两个途径影响舒适性。

一个是通过空气噪音辐射，就是上一讲中我们论述的电机机壳、端盖的振动通过空气声压传递到人耳中，通过这种途径的噪音频率往往较高。

另外一种方式则是通过减速器、安装支架等结构将振动传递给车体，专业术语叫“Structue Borne”,这是中低频振动或抖动问题的主要传递路径。

电机的振动通过结构的传递路径也可细分为两类：如下图所示：路径2是通过定子系统-悬置-车架达到车身。

因为涉及到的运动体较少，主要是悬置设计的问题，相对简单。

路径1是通过减速器-差速器-半桥，这里面涉及到的轴系和振动源较多是，电机相关NVH问题高发的区域，相对也比较复杂，值得我们仔细研究。

通过轴系传递的振动有明显的阶次特征，如下图所示电在某一车型中，通过电机侧测得的角加速度频率和车内测得的振动加速度是同阶的。

也就意味着能量从电机转子传递到了车内，因为传递路径是转子轴系，也就意味着传递的主要能量扭转能量，所产生的问题也大多和扭转振动相关。

因此从电机到传动链过程中产生的NVH问题，也叫扭转振动问题。

扭振会带来一系列问题除了影响舒适度，还会因为旋转激励过大使得轴承寿命下降，甚至还会使得轴系转速剧烈波动，引发操作失稳问题。

因此和电机相关的扭振问题是NVH治理的核心关注点。

而要解决或者抑制扭振问题，先得从理解扭振问题的机理出发。

扭振振动的四种机理
和电机相关的扭转振动的机理有很多，比较重要的有如下四种。

分别是谐波转矩引起的强迫振动问题、加减速引起的颤振、扭转共振问题、转矩脉动引起的齿轮啸叫问题。

我们一一道来：
•谐波转矩引起的强迫振动问题
这个问题很容易理解，理想电机轴系旋转转矩是只有一阶，而工程中由于各种机械、电气误差不可避免的会产生更多阶次的转矩成分，这些阶次的转矩会产生额外的振动阶次，在一些特别的场合谐波转矩还会使得齿轮啸叫，降低舒适感。

常见的和电机相关的机械激励：有动不平衡（为了降低动平衡很多企业采用的国外的设备）、不对中不同轴、轴承的刚度变化。

和电机电磁因素、控制因素相关的谐波转矩如下图所示：其中主要的成分是纹波转矩和因电流检测偏差导致的转矩脉动。

•扭转共振引起的问题
扭转振动顾名思义就是指扭转转矩的频率和轴系系统的模态重叠时发生的共振问题。

轴系的扭转模态和电机转子、齿轮、半轴的刚度、惯量都相关。

下图是一个典型的轴系的扭振模态频率分布：理解扭转共振问题先从leaf2013的案例说起： Leaf从2011切换到2013版本时，发现了在PDM电源模块上产生了一个在1.7kHZ 的特别噪音。

Nissan工程师们发现，1,7kHZ的噪音电机本身是没有的，但一旦集成之后就会在电源模块上产生。

这是什么原因呢？
通过进一步分析，这电机和减速器轴系相连接时会产生一种扭转组合振型。

其固有频率为1.7kHZ，随着电机转速提升，很快产生了共振。

为了解决这个问题，采取了提升共振频率的做法，将转子的扭转振动固有频率从1.7kHZ转移到2.2kHZ,频率的提高降低了响应幅值，该频段噪音得以缓解。

•突然加减速引起的扭振（tip in tip out/surge）
电动车电驱动总成结构简单，没有离合器、扭转减振器等衰减传动系统扭振的零部件，且电机转矩大，特别是转矩在整车启动或者突然加减速工况下容易产生震颤。

这种振动专业术语叫tip in tip out或者Surge 。

丰田称之为Surge，我们也采用这种叫法。

Surge发生时现象很复杂但机理其实很简单，电机的传动轴系可
以理解成一个弹性-惯量-阻尼系统，这是一个二阶储能系统，具备动能和势能。

当突然加速和突然减速时，电机的扭矩变化很大，相当于给系统一个阶跃激励，因此不可避免的会产生能量振荡，当过大振荡传递到车厢内时，乘客能够感受到纵向的抖动。

当 Surge发生时有一些明显的特征。

其中一个是电机的角加速度-转速-和车内的振动是高度相关的。

在时间上表现出同时发生（如下图所示），在阶次上表现出同阶。

如何解决surge问题，方向有很多。

可以通过调整电机的速度环、电流环参数可以使问题缓解，也可以控制油门开度减弱转矩阶跃强度，但都不能彻底解决问题。

丰田在THSII中采用了电机角加速度闭环的方式，较好的解决了这个问题。

其原理很简单，如下图所示：增加了一个角加速度闭环后，能够控制在转矩突变时通过主动调整扭矩，控制角加速度变化值。

这样做能够降低车内抖动的原理是认为：“电机的角加速和车内抖动是高度相关的”。

如下图所示，通过角加速闭环使得车内振动加速度减小，而转矩不再光滑，而是增加了许多转矩纹波。

也就意味着通过主动注入转矩谐波，使得转矩输入能量和轴系振荡能量相抵消，从而降低整体能量波动水平。

•转矩脉动引起的齿轮敲击问题
电机的转矩脉动较大时，会使得齿轮副直接的啮合不均匀，而两个齿之间存在啮合间隙。

波动的转矩使得齿在间隙中来回拍击，形成敲击声，专业术语叫（gear rattle）。

下面这个例子能够帮助我们理解gear rattle和转矩脉动的相关性。

某车型在全油门加速工况下，在350rpm时出现轰鸣并伴随敲击声。

在车内噪音的瀑布图分析中可以发现其噪音阶次是19阶，刚好是输入侧齿轮的阶次。

如何判断是齿轮敲击而不是扭转共振或其它问题，有三个特征证据：
•轴系扭振的共振频率为347HZ>120HZ-排除共振；
•在1阶齿轮和电机花键连接处附近振动最大；
•能够听到敲击声-这是明显的齿轮噪音标志；
那接下来的问题是如何判定是转矩脉动引起的？从总线上提取的转矩信号显示在敲击发生时转矩有±6Nm的转矩脉动。

更有利的证据来源于改进后的对比验证，通过技术手段优化了该电机的设计和改善电流采样精度之后，伴随该异常转矩脉动消失，该处的齿轮敲击现象也消失了。

总结
电机的NVH问题异常复杂，有定子侧的问题，也有转子侧的问题。

而转子侧的问题更和总成、车辆的轴系设计相关。

这使得问题变得特别复杂，作为电机设计者，我们需用吸收传统汽车NVH的一些概念如surge、rattle等，再结合电机本身的一些转矩特征去理解问题。

最后发现这是一个动力学+电磁+控制的耦合问题，而电机刚好处于这个耦合的关键环节，在理解NVH的机理的基础上，我们会发现从电机激振力优化设计出发会事半功倍。

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