新能源驱动电机NVH设计与优化

喻皓 范泽义 王配 覃云萍

广汽研究院 广东省广州市 511434

1 引言

在追求电机更优性能的目标时，提高功率密度一直是电机工程师重要工作之一。电机功率密度越高，意味着电机在同等重量下发挥更大的功率和扭矩输出。

近年来，随着新能源车驱动电机的推广与应用，电机的NVH越来越受到消费者关注，电机NVH水平逐渐成为评价一个电机性能重要指标。研究表明，电机NVH表现与电机输出功率和扭矩有直接关系。同一款电机，电机输出功率越小，电机的NVH表现越好。

对于同一款电机，其动力性与NVH表现越来越成为一个矛盾点。寻找最佳平衡点，使得电机综合性能最优，越来越成为电机设计的重要内容。

2 电机气隙对电机性能和NVH的影响

为提高电机功率密度，在满足加工精度、产品强度等设计要求的前提下，电机工程师偏向于设计更小的气隙，。这主要是因为，随着电机气隙增大，带来两方面的影响：（1）气隙增加，空气磁导率低，磁路磁阻增大，磁力线通过能力减弱；（2）在切向结构的永磁同步电机中，转轴侧永磁体端部存在较大漏磁，气隙长度增加，漏磁也增加。以上两方面均会带来电机性能的下降，即电机功率密度的降低。

然而小气隙电机带来了更明显的电磁噪音，这主要是因为电机工作过程中，通过定、转子间的电磁力作用，即切向的旋转扭矩和径向的电磁力，使得电机运转起来。定、转子间的电磁力，主要是径向电磁力使定子产生振动而辐射噪音。通过增大气隙，可减小气隙磁场谐波分量，降低径向力谐波，从而实现噪音的优化。

因此，综合考虑输出能力和NVH的影响，选择合理气隙至关重要。本文通过有限元法，仿真分析了两种气隙下电机性能和NVH表现，并通过试验进行了对比验证。

3 设计方案介绍

本文以某款永磁同步驱动电机为研究对象，电机为强制水冷，内转子，电机最高转速为12000rpm，电机壳体为铝合金材料。设计0.6mm，0.9mm气隙的电机，两种气隙的电机的主要相比，电机转子外径相同，定子半径相差0.15mm，考虑到0.15mm对定子齿部强度影响较小，0.9mm气隙的电机直接将定子半径增大0.15mm。电机电机参数如下表所示。

4 仿真分析结果

基于Maxwell对两种气隙的电机二维模型，并进行了电磁仿真，为了建立电机内部磁场，做以下假定条件：

（1）忽略电机端部效应，电机磁场沿轴向均匀分布；

（2）铁心冲片材料各向同性；

（3）电机壳体外部和电机轴磁场忽略不计；

（4）磁钢被均匀磁化；

（5）电机不采用斜级结构（忽略斜级对气隙的影响，但扭矩波动较大）；

经过电磁仿真计算，得到了两种气隙电机的扭矩仿真结果，如下图图3和图4所示。仿真分析结果说明，0.6mm气隙电机最大扭矩为360Nm、波动为23%，0.9mm气隙电机电磁激励为336Nm、波动为18%，随着气隙的增大，电机的输出扭矩变小，同时扭矩波动减少。扭矩减小主要原因有两方面：1）气隙增加，空气磁导率低，磁路磁阻增大，磁力线通过能力减弱；2）在切向结构的永磁同步电机中，转轴侧永磁体端部存在较大漏磁，气隙长度增加，漏磁也增加。因此，单从输出扭矩角度考虑，更倾向设计小气隙电机。扭矩波动减少这是因为减小气隙后，气隙磁场谐波分量减小，也同时降低扭矩谐波分量，降低扭矩波动，这有利于改善车辆抖动。

表1 电机参数介绍

图1 0.6mm气隙值电机扭矩仿真值

图2 0.9mm气隙值电机扭矩仿真值

图3 0.6mm气隙值电机气隙磁密

图4 0.9mm气隙值电机气隙磁密

图5 0.6mm气隙电机气隙磁密FFT分析

图6 0.9mm气隙电机气隙磁密FFT分析

进一步对电机气隙磁密进行了分析，仿真分析结果如下图3和图4所示，分析表明：0.9mm气隙电机的气隙磁密较0.6mm气隙电机谐波分量小，有利于降低电机径向力波动，减少电机径向振动，从而改善电机NVH表现。为更直观的说明气隙磁密减小量，进行傅里叶分析，如下图5和图6所示：

对0.6mm气隙电机和0.9mm气隙电机的气隙磁密FFT分析进行了对比分析，如下图7所示，分析结果表明在对应阶次的幅值，0.6mm气隙高于0.9mm气隙，这说明0.6mm气隙磁密谐波幅值更大，会辐射出更明显的噪音。

5 试验验证

考虑悬置系统对电机NVH的影响，本文的试验全部在整车上进行，工况为全油门加速工况，即全油门将车速从0加速到整车最高车速。通过麦克风对0.6mm和0.9mm气隙的电机进行了声压采集。声压瀑布图如下图8和图9所示。在0.6mm气隙的电机，声压瀑布图存在明显“亮点”，说明此处声压级较高，而在相同位置，0.9mm气隙的电机，颜色变浅，说明此次声压级降低。

提取两种气隙电机的总声压级进行比较，如下图10所示，0.9mm气隙的电机不仅在低转速区间，NVH表现得到了明显的优化，而且在高转速区间，NVH峰值得到了明显的削弱，降低较为明显，总声压级降低约8dB（A）。

实车驾驶，主观感受上0.9mm气隙电机NVH明显改善。这说明，增大气隙，可以起到改善电机NVH的作用。

6 结语

以上分析表明，电机气隙是电机设计重要参数，需要综合考虑输出性能和NVH要求，在满足电机性能输出的前提下，增大气隙是改善电机NVH表现的一种重要方法。在电机设计过程中，为平衡输出性能和NVH性能，需设计合理的电机气隙值。

图7 谐波分量对比

图8 0.6mm声压瀑布图

图9 0.9mm声压瀑布图

图10 两种气隙电机总声压级的比较