切向电磁力对电动车动力总成振动噪声的影响分析

第5 期
方 源等： 切向电磁力对电动车动力总成振动噪声的影响分析
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0引言
随着世界各国大力推广新能源汽车，国内外学 者也开始研究电动车用永磁同步电机的振动噪声特 性振动特性，研究发现噪音和振动的根源是径向力 引起的电磁振动［1 － 4］。此外，在进行电磁仿真分析 时，通常施加理想的三相正弦电流，没有考虑外电路 电阻、电感等元件的影响［3 － 8］； 随着研究的深入，有 学者发现： 针对电机 － 减速器集成驱动系统而言，由 于电机与减速器存在耦合作用，因此有必要考虑电 磁切向力波。B． Prasanth 针对车用发电机啸叫进行 研究，发现电机啸叫不仅与其自身有关，还与与其连 接的机械构件有关。通过改变连接方式、增加质量 块等方式提高了电机的噪声品质［9］。P． Pellerey 等 人分析了电磁切向力对电动车动力总成动态响应的 影响，提出切向电磁力不会对电磁噪声有较大贡献， 但是会对减速器动态特性产生影响［10］。
析模型。通过将外部电路产生的三相电流输入到电 磁分析模型中实 现 场 路 耦 合 联 合 仿 真［11］。 电 磁 激
励 仿 真 工 况 为 电 机 转 速 3 000 r / min，负 载 为12 N·m。
图 1 电磁激励联合仿真模型 Fig． 1 Joint simulation model for electromagnetic
2 模态分析
模态分析是对系统动力学特性参数进行参数辨 识和估计的技术，是结构运动学的分析基础。根据 动力总成实际的边界条件将 3 个悬置处约束后进行 模态分析，为研究电机振动 / 噪声提供力学分析依 据。材料参数如表 1 所示。计算得到的振型及频率 如图 3 所示。
表 1 材料参数 Table 1 Material parameters
从图 5 电机外侧振动加速度频域图可以看出， 切向电磁 力 对 电 机 径 向 振 动 几 乎 没 有 影 响，而 在 2 400 Hz处电机表面的切向加速度有明显的差别。 从图 6 减 速 器 表 面 振 动 加 速 度 频 域 图 可 知，在 2 000 Hz以及 2 400 Hz 处，切向电磁力对减速器表
Effect of tangential electromagnetic force on vibration and noise of electric powertrain
FANG Yuan1，2 ， ZHANG Tong1，2，3 ， YU Peng1，2 ， GUO Ｒong1，2
（ 1． New Clean Energy Automotive Engineering Center，Tongji University，Shanghai 201804，China； 2． School of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 201804，China；
量； F 为动载荷向量。
图 4 为 ANSYS Workbench 中的分析模型和受
力示意图，将径、切向电磁力分别加到定子齿上，观
察动力总成表面振动情况。电机在实际工作时，动
力总成悬置是固定在副车架上的，因此动力总成的
电磁振动分析是在悬置零位移约束状态、电机定子
内表面受到一个旋转激励力的条件下计算得到的。
1 2μ
B
r
Bt
。
（ 2）
式中： μ 为空气磁导率，为 4 × 10 －7 H / m； Br 、Bt 分
别为电磁径、切向气隙磁密。
1． 1 电磁激励仿真建模
采用场路耦合的方法来考虑外电路对电磁激励
的影响。联合仿真模型如图 1 所示，在 Simplorer 中
搭建 SPWM 控制电路，在 Ansoft 中建立电机电磁分
收稿日期： 2014 － 06 － 04 基金项目： 国家自然科学基金（ 51205290） ； 中央高校基本科研业务费专项资金项目（ 1700219118） 作者简介： 方 源（ 1989—） ，男，博士研究生，研究方向为电动车动力总成系统振动噪声研究；
章 桐（ 1960—） ，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为整车集成设计及新能源汽车动力系统； 于 蓬（ 1986—） ，男，博士研究生，研究方向为电动车动力传动系统振动噪声研究； 郭 荣（ 1979—） ，男，博士，副教授，博士生导师，研究方向为汽车振动与噪声控制。 通讯作者： 章 桐
部件
定子（ 35W300） 机壳（ 铸铝） 轴（ 45 号钢） 绕组（ 铜）
弹性模量 Ex / Pa
2． 1 × E11 7 × E10 2． 1 × E11 1 × E11
泊松比 NU 0． 3 0． 3
0． 269 0． 34
材料密度 ＲHO / （ kg / m3 ）
7 500 2 800 7 900 8 600
3 振动特性分析
利用 ANSYS 有限元软件建立该电机三维结构
的有限元模型，再以时域瞬态电磁场分析得到的稳
态电磁力作为激励，进行电机结构的响应分析，得到
在电磁力激励下电机的振动特性。利用有限元法容
易建立电机结构振动的运动微分方程为
Mx¨ + C·x + Kx = F。
（ 3）
式中： M、C、K 分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩 阵； x¨ 、·x 、x 分别为位移向量、速度向量和加速度向
3． Sino-German College of Applied Sciences，Tongji University，Shanghai 201804，China）
Abstract： To study the electromagnetic noise of electric vehicle，the internal dynamic excitation of gears and the electromagnetic excitation of electric motor were considered，and the dynamic finite element model of transmission system and structure system of the electric powertrain was established． A weak-coupled method was presented here to analyze electromagnetically excited vibration and noise and the effect of tangential electromagnetic force on vibration and noise． A noise and vibration test was conducted to verify the simulation． The result shows the tangential electromagnetic force contributes little to the noise and vibration of the electric machine but a lot to the reducer especially in 2 000 Hz and 2 400 Hz． Based on the analysis，the electromagnetic parameters and the structure of the electrical machine could be improved and optimized to reduce its electromagnetically excited vibration． Keywords： electric powertrain； modal analysis； tangential electromagnetic force； radial electromagnetic force； vibration and noise
摘 要： 为了研究电动车的高频电磁噪声问题，以电动车动力总成为研究对象，综合考虑电机电磁
径向电磁力波和切向电磁力波，建立了动力总成有限元分析模型，采用一种弱磁 － 固耦合的方法对
动力总成的电磁振动噪声特性进行分析，研究切向电磁力对系统振动噪声特性的影响。在半消声
室中，对动力总成进行振动加速度及辐射噪声测试，以验证仿真分析方法的准确性。研究结果表
本文以集中驱动式电动车动力总成为研究对 象，考虑外电路的影响，建立场路耦合电磁仿真分析 模型，得到径向和切向电磁力。分析切向电磁力对 系统振动噪声特性的影响。
1 电磁力计算
电动车与传统汽车动力驱动系统的差异，使得
其振动噪声激励源也存在差别。纯电动车动力总成
是由减 / 差速器和永磁同步电机组成的，其激励源除
第 20 卷 第 5 期 2016 年 5 月
电机与控制学报 Electric Machines and Control
Vol. 20 No. 5 May 2016
切向电磁力对电动车动力总成振动噪声的影响分析
方源1，2 ， 章桐1，2，3 ， 于蓬1，2 ， 郭荣1，2
（ 1． 同济大学 新能源汽车工程中心，上海 201804； 2． 同济大学 汽车学院，上海 201804； 3． 同济大学 中德学院，上海 201804）
设计，为降低电机的电磁振动提供理论依据和试验支持。
关键词： 动力总成； 模态分析； 切向电磁力； 径向电磁力； 振动噪声
DOI： 10． 15938 / j． emc． 2016． 05． 013
中图分类号： U 463
文献标志码： A
文章编号： 1007－ 449X（ 2016） 05－ 0090－ 06
明，电机与减速器集成后，切向电磁力对电机振动噪声影响不大，但对减速器产生了不可忽略的影
响，在 2 000 Hz 和 2 400 Hz 处，切向电磁力在减速器表面产生了明显的振动，并且对减速器表面
2 000 Hz ～ 2 400 Hz 范围内的声场贡献较大。研究结果对电机的电磁参数和结构进行改进和优化
了齿轮啮合激励外，还有电磁激励，从而高频振动噪
声现象在电动车中较为突出。
电磁噪源自文库主要由电机运行时气隙中谐波磁场相
互作用做产生的电磁力波引起的。利用麦克斯韦定
律可求出定子铁心内表面单位面积上的法向电磁力
Pr 和切向电磁力 Pt ，如下式所示：
Pr = 21μ（ B2r － B2t ） ，
（ 1）
Pt
=
excitation
1． 2 仿真结果分析 图 2（ a） 为电机电磁力波时域图，可以看出，径
向力和切向力均呈周期性变化，径向力峰值达到了 106 N / m2 ，切向力峰值达到了 4 × 105 N / m2 ； 电磁力 频域分 布 如 图 2 （ b ） 所 示，可 以 看 出，电 磁 力 在 400 Hz、800 Hz、1 200 Hz、1 600 Hz、2 000 Hz 等频率 处存在峰值，这些频率均为电机电流谐波频率。国 内外众多学者研究发现，考虑到切向力幅值较小以 及电机结构对称的原因都忽略了切向电磁力的作 用，而认为电机径向力是产生电磁振动噪声最主要 的原因。但是，电机与减速器集成在一起后不再是 圆柱结构，系统的振动特性会发生变化，在实际工作 中切向电磁力可能对动力总成的振动噪声产生很大 影响，有必要加以考虑。因此，后续的研究工作一方 面要注重减小电磁力的幅值，另一方面要避免一些 电磁力的谐波分量出现在动力总成的固有频率处。
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图 2 电磁力 Fig． 2 Electromagnetic force
从图 3 可以看出，减速器的加入使得系统的振 型变得复杂，不再是典型的电机振型，而是既有单独 的电机振型，也有单独的减速器振型，还有二者耦合 的整体振型； 动力总成固有频率分布密集，在电磁力 的谐波频率附近都存在着多个固有频率，会对系统 振动噪声特性产生影响。
图 3 模态振型 Fig． 3 Mode shape
图 4 受力示意图 Fig． 4 Example of electromagnetic forces on the stator
在有 无 切 向 电 磁 力 的 作 用 下，计 算 得 到 在 0 Hz ～ 5 000 Hz 的频率范围内，动力总成结构的振 动加速度，如图 5、图 6 所示。