某车载永磁同步电机噪声改善分析

某车载永磁同步电机噪声改善分析

周强　邢秋颖

（纬湃汽车电子天津有限公司  天津 300450）

摘要:本文以一款永磁同步电机48阶车内噪声为例，结合整车、台架NVH测试数据，经过定转子模态排查，初步定性该问题的原因为：径向电磁力空间力型与转子二阶扭转模态阵型的耦合；通过重新设计转子斜极形式，避开电磁力与扭转模态阵型的耦合，经过特殊样件台架验证，有效改善了该噪声问题；该方法为改善转子扭转模态导致的电机一阶齿谐波噪声问题提供了参考。

关键词：永磁同步电机；转子扭转模态；斜极形式；一阶齿谐波噪声

中图分类号：TM341

0 前言

永磁同步电机（PMSM）作为新能源汽车电驱动系统核心零部件之一，其产品的各项性能决定了新能源汽车的产品和市场竞争力；NVH做为电机性能指标的一项内容，追求营造安静的车内驾乘品质；区别与传统汽油车，新能源汽车由于没有了发动机低频噪声的掩盖效应，电机的尖锐噪声变得凸显起来，如何保证电机良好的NVH性能，正越发受到整车厂及零部件企业的重视；

电池包的直流电流，经过控制器转换成交流电，经定子三相绕组后，在气隙内产生随时间和空间变化的电磁力，该力作用于定子和机壳，进而对外辐射电机噪声；以8极48槽电机为例，行业内经常遇到定子0阶呼吸模态导致的48阶噪声；通常优化转子表面辅助槽的位置和形状，降低48阶径向电磁力来解决该问题；文献[1]通过优化转子表面开槽结构，使48阶对应电磁力下降了64%，台架实测噪声数据下降了5dBA，取得了较大的改善；而行业内对于转子扭转模态导致的噪声问题研究较少；本文以公司某款永磁同步油冷电机（8极48槽）作为研究对象，讨论如何通过优化转子结构，改善转子扭转模态导致的48阶噪声问题。

1 背景

该永磁同步电机为油冷电机，采用8极48槽成熟的极槽配合，转子采用V型8段斜极形式，在定转子结构设计初期，重点考虑如何规避定子0阶呼吸模态导致的电机48阶高频噪声；

电机搭载整车路试过程中，参考图1（绿色为样机近场10cm位置麦克风数据，红蓝色为驾驶员左右耳麦克风数据），发现60%以上扭矩时：①车内无定子0阶呼吸模态导致的48阶噪声问题，说明定转子结构设计规避了该行业常见问题；②在4500rpm/3600Hz出现了一个新的48阶车内噪声峰值，对应整车近场噪声也存在峰值，车内主观评价不可接受，为新发问题；

图1  整车60%油门开度下48阶声压级曲线

在电机半消声室台架测试过程中，如图2所示（红绿色分别为两个样机数据），在距离机壳表面1m位置共布置上、前、后三个麦克风，数据发现：60%扭矩下，电机48阶1M平均声压级在4500rpm左右也存在明显噪声峰值；

图2  半消声室台架60%扭矩下48阶1M平均声压级曲线

综合整车及半消声室台架数据，基本可以得出结论：该车内噪声峰值是电机本身导致的；

2 基于模态测试的原因分析

共振现象是指当外界激励频率与系统的固有振动频率相同或者接近时系统结构产生大幅度振动响应的现象，电机的整体结构主要包括两大部件：定子总成和转子总成；使用HEAD Artemis SUITE设备对定子和转子进行建模，分别进行锤击模态测试；

定子总成经过模态识别，前5阶模态阵型中没有3600Hz附近的模态频率和阵型；且对于8极48槽的电机，最小非零阶电磁力为8阶，行业内一般只考虑0阶电磁力引起的噪声；综合以上两点，结合定子共振的前提条件为同频且同型，而在3600Hz问题频率点，定子模态与电磁力空间阶次既不同频且不同型，基本排除定子共振的影响；

锤击测试转子总成的弯曲和扭转模态，经过模态识别，转子二阶扭转模态频率为3644Hz，且振型十分典型，最大扭转变形出现在转子叠片位置，如图3所示，这是因为叠片与叠片之间是依靠胶、预紧力固定在一起，与转子轴相比，扭转刚度小，相对变形大；从叠片位置的空间阵型看，为沿轴线的V型分布，转子二阶扭转模态阵型与转子上径向电磁力的空间分布形式相同，二者同频且同型，转子二阶扭转共振激发了48阶噪声峰值；

图3  转子二阶扭转模态频率及振型图

3 改善方案及验证

3.1 制定改善方案

该问题为转子二阶扭转模态与径向电磁力空间分布形式耦合共振导致的，要解决这类问题，手段有两种：避频或者避型；计划考虑如下两种改善方案，方案一：改变中空电机轴的内径尺寸，将二阶扭转频率移至其他频率；方案二：将转子V型8段斜极改变为W型8段斜极，改变电磁力空间分布形式，达到与转子二阶扭转阵型避型的目的；

方案一虽然可以将二阶扭转频率移至新的频率点，但在新频率点依然存在同频同型的现象，理论分析还会存在共振风险；方案二将电磁力的空间分布由V型改变为W型，与二阶扭转阵型之间完全避免了同型现象，是一种彻底的改善措施，且对于结构设计的改动小，决定采用方案二加工特殊样机进行验证。

3.2 台架实验验证

按照方案二进行改善样件加工，在半消声室台架进行NVH测试，采用相同的

60%扭矩工况，分别在距离电机壳体表面1m的上、前、后三个位置布置麦克风，对比了相同工况下1M平均声压级的改善结果：在问题转速段，W型斜极电机的48阶1M平均声压级噪声下降了10dBA左右，改善效果明显；

4 结论

本文基于某永磁同步电机新发生的48阶噪声问题，结合整车、台架NVH测试数据及定转子模态测试结果，找到了该问题的根本原因：转子二阶扭转模态共振导致的48阶噪声峰值；改变转子斜极形式后，成功改善了该问题。

参考文献

[1] 王秀锐，周强. 基于转子结构优化的永磁同步电机噪声分析[J]. 电力设备管理，2022，32(17)：265-267.

作者简介：

周强，1988年8月出生，纬湃汽车电子(天津)有限公司，硕士，

中级工程师；研究方向：新能源汽车电机振动与噪声控制。

邢秋颖，1985年8月出生，纬湃汽车电子(天津)有限公司，硕

士，中级工程师；研究方向：新能源汽车电驱动系统设计。