1前言

驅(qū)動電機(jī)是純電動汽車的動力核心[1]，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時其振動噪聲會加劇，將嚴(yán)重影響整車舒適性[2]。電機(jī)定子與殼體多采用過盈配合連接，過盈配合對電機(jī)殼體強(qiáng)度影響很小，且具有結(jié)構(gòu)簡單、對中性好、可承受較大軸向力和扭矩等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。驅(qū)動電機(jī)的實(shí)際工作溫度范圍為-40～150℃，且有劇烈的振動，這對電機(jī)定子與殼體的實(shí)際過盈量有很大影響。為探明定子與殼體間過盈量對電機(jī)噪聲的影響，以及電機(jī)噪聲隨溫度變化趨勢，本文以純電動汽車驅(qū)動用48槽8極永磁同步電機(jī)為研究對象，采用階次分析方法，通過對具有不同定子與殼體過盈量的電機(jī)和在不同溫度下的電機(jī)進(jìn)行了空載勻加速近場噪聲測試分析，并給出了電機(jī)定子與殼體過盈量取值建議，以作為電機(jī)噪聲優(yōu)化的參考。

2階次分析方法

電機(jī)升速與降速過程的噪聲信號是非穩(wěn)態(tài)信號，若對此信號直接利用快速傅氏變換FFT（FastFourierTransformation）進(jìn)行頻譜分析，則會產(chǎn)生“頻率混疊”現(xiàn)象。若對電機(jī)升速或降速信號以電機(jī)軸轉(zhuǎn)角為參考進(jìn)行恒角度增量采樣，則可將電機(jī)升速或降速過程的時域非穩(wěn)態(tài)信號轉(zhuǎn)化為角度域穩(wěn)態(tài)信號，此時再進(jìn)行FFT變換會可以避免“頻率混疊”現(xiàn)象。等角度采樣又稱階次采樣或階次追蹤，是一種有效的非穩(wěn)態(tài)信號分析方法。

為確定采集到的噪聲信號與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系，在測試時需引入轉(zhuǎn)速信號作為參考。首先對噪聲信號和轉(zhuǎn)速信號分兩路以遠(yuǎn)高于奈奎斯特（Nyquist）采樣頻率的頻率進(jìn)行等時間間隔采樣，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速信號估計(jì)轉(zhuǎn)速發(fā)生時刻，再對此轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的噪聲信號進(jìn)行插值重采樣，從而得到近似穩(wěn)態(tài)信號。

典型的階次分析頻譜圖中，一種是以橫軸為參考軸轉(zhuǎn)速，縱軸為聲壓級，在圖中同時顯示總聲壓與各階次聲壓曲線，可以定性地看出各階次聲壓在某頻率下對總聲壓的貢獻(xiàn)情況；另一種階次頻譜圖采用X坐標(biāo)為噪聲信號頻率或者噪聲信號頻率與參考軸轉(zhuǎn)動頻率的比值，即階次，Y軸代表聲壓級，Z軸代表參考軸轉(zhuǎn)速或噪聲采樣時間，這種表示方法可以分析噪聲在頻域內(nèi)的分布。階次計(jì)算式為：

式中，O為階次；f為各部頻率，Hz；n為參考軸轉(zhuǎn)速，r/min。

3電機(jī)噪聲來源

3.1機(jī)械噪聲

永磁同步電機(jī)中的機(jī)械噪聲主要有電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡引起的一階振動噪聲及電機(jī)的滾動軸承引起的噪聲。滾動軸承尺寸和滾動體個數(shù)與其階次噪聲有直接關(guān)系，較常見的有軸承內(nèi)、外圈的通過頻率引起的階次噪聲。通過頻率是滾珠通過軸承內(nèi)滾道和外滾道時產(chǎn)生的沖擊特征，外圈和內(nèi)圈的通過頻率計(jì)算式

式中，fouter、finner為軸承外圈和內(nèi)圈通過頻率；Nb為滾動體個數(shù)；fr為參考軸轉(zhuǎn)動頻率；Dc為軸承節(jié)徑；β為接觸角；Db為滾動體直徑。

本文研究的永磁同步電機(jī)軸承滾珠為9個，因此內(nèi)、外圈的通過頻率分別為5.4階和3.6階。

3.2空氣動力噪聲

空氣動力噪聲一般由電機(jī)散熱風(fēng)扇等元件以及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成的空氣渦流噪聲、風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)使冷卻空氣周期性脈動或氣體撞擊障礙物而產(chǎn)生的單頻噪聲、風(fēng)路中薄壁零件諧振或風(fēng)路設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的“笛聲”[6]等構(gòu)成。

電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機(jī)采用水冷卻或自然風(fēng)冷卻，因此不存在單頻噪聲和“笛聲”，但存在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成的空氣渦流噪聲。又因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)為閉式電機(jī)，空氣渦流噪聲不能輕易傳遞到電機(jī)外部，所以此噪聲可以忽略不計(jì)。

3.3電磁噪聲

電機(jī)氣隙磁場作用于電機(jī)定子鐵芯產(chǎn)生電磁力，電磁力引起定子鐵芯的振動，進(jìn)而引發(fā)電磁噪聲。由于氣隙磁密波的作用，在定子鐵芯齒上會產(chǎn)生徑向電磁力和切向電磁力，其中徑向電磁力使定子鐵芯產(chǎn)生的振動變形是電磁噪聲的主要來源，而切向電磁力使定子齒根部彎曲產(chǎn)生局部振動變形，是電磁噪聲的次要來源。對于永磁同步電機(jī)，其徑向電磁力可由麥克斯韋應(yīng)力張量法求得[7]，即式中，Pn為理想條件下引起電機(jī)電磁噪聲的徑向力波，N/m2；b（θ,t）為氣隙磁密，T；μ0=4π×10-7H/m為真空磁導(dǎo)率。

在理想情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向所受的磁拉力合力為零且徑向力波的特征階次為電機(jī)極數(shù)的整數(shù)倍[8]。但在實(shí)際情況下，由于結(jié)構(gòu)、零部件的加工及裝配和材料磁化等原因，電機(jī)會產(chǎn)生兩部分徑向不平衡磁拉力，一部分與時間無關(guān)，方向指向間隙很小方向；另一部分與時間相關(guān)，其波動頻率為電頻率的2倍。若電機(jī)的磁極對數(shù)大于3，則只有與時間無關(guān)的部分存在。

當(dāng)采用變頻器供電時，永磁同步電機(jī)定子電樞反應(yīng)磁場中產(chǎn)生大量與開關(guān)頻率有關(guān)的諧波成分，顯著影響電機(jī)氣隙磁場中電磁力波的幅值和次數(shù)，并會因電磁激振力頻率與電機(jī)某些模態(tài)固有頻率接近而發(fā)生共振，進(jìn)而引起電機(jī)振動和噪聲增大。