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  电机NVH

       电机是上海朴渡科技精通的领域，主要专注于电机的减振降噪、性能、结构优化设计、仿真分析等方向。

一、电机噪声的介绍

        电机的噪音主要有三部分组成，如图1所示：

      （1）电磁噪音，来源于定、转子磁场之间相互作用产生的电磁力。如图2所示，径向电磁力作用于电机定子齿面，使得定子轭部产生径向形变位移；切向电磁力会对电机定子齿部施加弯矩，使得定子齿根产生局部的形变；进而辐射到电机表面的机架上，特别的当这些力波频率接近电机机械零部件的固有频率时，将引起更严重的共振；

      （2）机械噪音，机械零部件、轴承或电刷等运动引起的；

      （3）空气动力噪音，主要是由于冷却扇带动空气加速流动与风道内壁产生摩擦引起的。

        由于纯电动汽车本身的性能，其采用的高阻尼低噪声的滑动轴承及对旋转部件作严格的动平衡要求，电机的机械振动并不明显，空气动力噪声也不明显，主要是电磁噪声造成的振动较明显。

图1 电机噪声构成

图2 电磁噪声原理

二、电机振动噪声原理

2.1、电磁噪声理论分析

（1）正弦波供电时，定子绕组和转子的磁动势：

其中：

：为定子基波电流磁动势；

：为转子永磁体谐波磁动势；

：为定子基波电流产生的定子谐波磁动势；

：为k次时间谐波电流产生的定子谐波磁动势；

（2）气隙磁导：

（3）忽略饱时，气隙磁密：

（4）气隙磁场产生的径向电磁力 ：

a) 不随时间变化的力波，只使定子铁芯产生静变形，因此不产生振动和噪声；

b) 定、转子磁场自身同次谐波作用，从而产生的倍频力波（角频率为              ）以及自身不同阶次谐波作用产生的倍频力波（角频率为                        ）；

c) 定、转子谐波之间相互产生的倍频力波（角频率为                        ）；

d) 主极磁场次谐波与电枢磁场齿谐波相互作用产生的力波：

        由此可得，永磁同步电机的径向力波及其振动噪声的特征频率为：                                        ，其中，f0为电流基频。

（4）电磁力波的分布形状：

实践表明：主极磁场       次谐波与一阶齿谐波相互作用 产生的径向力波是引起振动噪声的主要根源。

当三相绕组每极每相槽数q=Z/2pm为整数时，定子绕组磁动势的谐波次数为：

其中齿谐波次数为：     

转子永磁体谐波磁场的谐波次数为：

绕组一阶齿谐波和主极磁场m次谐波相互作用产生的力波空间次数和频率为：

2.2、电磁激励分析

        以某一12极72槽的永磁同步电机为例，极对数P=6，整数槽绕组。对应定转子磁场相互作用产生的径向电磁力波阶次（μ±ν）分布如表所示：

 ()表示一次齿谐波与绕组磁势谐波重合，f0为电频率（f0=p*fr）

        从表中可以看出（μ±ν）最小电磁力力波阶次为0阶（除0阶外最小力波阶次12阶），且有多个0阶电磁力力波。分别计算上述0阶电磁力波对应的频率:（μ/P±1）*P。（fr=转速[rpm]/60）

        当μ=30时，0阶电磁力波频率为24fr，36fr; 当μ=42时，0阶电磁力波频率为36fr，48fr; 当μ=66时，0阶电磁力波频率为60fr，72fr。 因此，12P72S的PMSM电机存在72fr的0阶电磁力波。当定子0阶模态与上述0阶电磁力波频率接近时，就会引起共振。

三、电机NVH问题解决思路

 电机噪声遇到的问题可以分为两类：

1. 现有产品的降噪(trouble shooting )：也可称为逆向方法，就是通过测试和仿真手段找到产品噪声大的原因，并提出改进方案，达到降噪目的。

2. 正向开发：新品设计阶段将噪声值作为性能指标，并且降噪指标分解到各个设计环节中。其主要技术手段是振动和声学仿真。

3.1、现有产品的降噪

        在解决电机振动噪声问题时，通常需要先通过测试手段定位主要的问题转速和阶次、频率等；通过西门子XS测试前端采集噪声时域波形并在Simcenter Testlab中进行频率变换，噪声colormap图显示在3163Hz-3473Hz 范围内存在共振带，该共振带最大异音频率3341Hz左右，声压级为89.79dB(A)；通过软件对扫频数据进行处理，获得噪声阶次图，确认异音属于72阶次异音。

<1>噪声振动测试 ：

<2>理论及仿真分析 ：

        根据电机噪声产生机理，结合电机结构特点（电机种类、极槽数等）计算电磁力的时间、空间表现及之间的关系，并绘制力波表。最后在电磁场分析软件中导入电机拓扑模型，并设置电气参数，得到电机运行时的电磁力分布，将其进行2维傅里叶变换可以得到时间-空间对应关系。

<3>降噪方案设计：

        对于“源-路径-接受者”的传递路径分析模型，想要降低电机噪声可以从抑制电磁激励源和优化结构传递路径两个方面着手：

（1）对于激励源的抑制，由于电磁噪声主要是由在时间和空间上作变化，并由电机各部分之间作用的磁拉力引起的。气隙空间的磁场是一个旋转力波，它的径向力波使定子和转子发生径向变形和周期性振动，是形成噪声的声源。所以，适当降低电机的气隙磁通密度、增大气隙，设计时如采用电枢斜槽，直流电动机的不均匀气隙和交流电动机的磁性槽楔，都是降低齿谐波和电磁噪声的有效措施。此外，合理选择极槽配合、优化磁密谐波等对于降低电磁激励源也有明显效果。

（2）对于传递路径优化，可以考虑通过调整定子及机壳模态频率，避开共振区间；增加机座刚度，减少由于定、转子气隙场中基波旋转力产生的振动和噪声。提高气隙装配时的均匀度和铁心的叠压质量，都有利于降低电磁噪声

<4>降噪方案验证：

        对降噪方案进行打样验证，Testlab噪声测试结果表明问题转速下，1/3倍频程峰值由原来的100dBA下降到75dBA，问题转速下的异音基本消失。

3.2、正向开发

对于正向开发过程中的电机噪声问题，需要借助仿真手段进行前期设计方案的振动噪声预测。西门子数字化工业软件                  Simcenter系列提供电磁、振动、声学等领域的解决方案，能够在电机物理样机出来之前对虚拟样机进行NVH性能评估，并针对仿真结果进行优化迭代，电机的快速仿真迭代对缩减产品开发周期、减少物理样机成本有重要意义。具体的流程见下图：

        基于Simcenter E-machine design进行电机前期电磁性能设计，联合HEEDS对电机拓扑进行多变量空间探索，优化电机电磁性能、降低电磁力谐波；并导出齿面电磁力（2D/3D）至UNV文件，导出的电磁力网格文件需要通过插值映射的方式加载到电机定子及壳体的齿面上。Simcenter 3D中提供多种表面电磁力映射方式，最大程度的还原电磁力在齿面分布特征。对电机NVH性能的评估需要考虑弱磁控制下全转速设计范围内的电磁激励，Simcenter 3D利用声学传递向量法（ATV）可以大幅提高解算效率，进行全转速段振动和声辐射响应分析，缩短分析时长。