48V 微混动力BSG 电机噪声的产生与解决

韩文飞 张贵强 卢本友

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

当前随着我国汽车规模的增长加剧了石油对外依存压力，在多期降耗政策引导下车企不得不加紧相关技术的研发和应用。随着2017 年9 月“双积分”政策的落地，以及企业平均油耗在2020 年达到5 L/100 km 的要求，以传统车型为主的各大汽车厂商均推出了相应“电气化”路线，而其中48 V 微混动力系统作为能够最为快速实现且相对节油效费比最高的一种解决方案，被大多数厂商列为最主要的降低车型油耗及降低排放的技术手段。目前在全球已有奔驰、奥迪等厂商上市了相应车型，通用、福特、大众等企业也均在进行相应技术的研发，预计2020 年左右会推出新产品；在国内也有吉利、长安、江淮等自主品牌厂商推出了自行研发的新车。

作为48 V 系统中最重要的组成部分之一，皮带驱动起动发电机（Belt Drive Start Generator，后续简称BSG 电机）在系统中承担了主要的能量转换工作，为整个混合动力系统提供了动力。而BSG 电机相较于其它混动架构所使用的电机，具有体积小、功率密度高、无法包裹（风冷方案）等不利于控制NVH 特性的因素。微混动力系统作为一种仍算“传统”的车型，较难按照其它新能源车型的方式将电磁噪声作为一种“电动化”的声音进行卖点的宣传。因此BSG 电机噪声控制及解决成为了开发48 V 微混动力系统中非常重要的一个环节。

针对BSG 电机噪声的特性、产生的原因及相应的解决措施，本文重点讨论了应当如何在设计初期规避和验证解决BSG 电机噪声问题的一些方法和手段。

1 背景介绍

1.1 48V 微混动力系统及BSG 电机

48 V 微混动力系统（Micro-Hybrid Electric Vehicle）是从90 年代42 V 系统基础上发展而来的一项新技术，2011 年由德国的奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷以及大众五家厂商联手推动了这个48 V 的概念，制定了LV148 标准，对于整个48 V 系统做出了明确的定义。而随着2018 年奥迪新A8 及奔驰新S 级的上市，48 V 系统已经作为其节能减排非常重要的一个技术手段正式推向了市场应用。在国内自主品牌中，也同样出现了以吉利博瑞GE MHEV、长安逸动蓝动版、江淮S5 等为代表的一批应用了48 V MHEV系统的混合动力车型。

在当前主流的48 V 微混动力系统中，BSG 电机的通常规格为峰值功率10 kW 左右，电机直径大约在150～160 mm，重量≤10 Kg。如此小的体积重量需要发出10 kW 的功率，对于电机的结构设计、电磁方案、控制电路等均提出了非常大的挑战。目前对于BSG 电机结构形式，主要分为：

1）爪极式电机——以Valeo 及SEG 等传统汽车发电机制造企业为代表。结构形式与传统12 V 汽车发电机一致，为爪极式转子配分布式定子，一般按持续功率大小分为风冷和水冷方案；

2）异步电机——以大陆电子所制造的电机方案为代表，属于一种小型化的将电机与控制器集成在一起的电机总成。通常为水冷方案，定转子不外露；

3）永磁同步电机方案——以马瑞利等企业的方案为代表，除转子及控制方式不同外，其结构属性与异步电机基本一致。

以上3 种方案中，异步电机与永磁同步电机由于其一般为水冷方案，壳体封闭利于包裹，在行业内的技术较为成熟，相对有利于控制NVH 特性。但相较于爪极式电机来说，这2 种方案的成本较高实际应用的企业较少。爪极式电机由于其风冷方案窗口完全开放，对于NVH 控制尤其需要重视；且其因为成本较低是目前国内最主流的电机形式，因此本文主要讨论爪极式BSG 电机的相关NVH 问题及控制方法。

1.2 BSG 电机结构形式

爪极式BSG 电机一般分为皮带轮、前后端盖、转子总成、定子总成、控制器总成等几大类部件，如图1所示。

图1 BSG 电机结构简图

其整体结构形式与传统12 V 汽车发电机基本相似，仅是将原整流桥及调节器等电器总成换成了由Mosfet 模组及通讯模块等构成了混合动力电机的电器总成。同时，为达到较大的起动转矩一般在其转子爪极之间插入永磁铁，构成混合励磁结构[1]。

1.3 BSG 电机NVH 特性

传统汽车发电机的噪声主要分为机械噪声、风噪、电磁噪声3 类[2]。其中机械噪声主要以轴承和电刷的噪声为主，风噪主要受到散热风扇叶形、风扇和通风道及进出口结构影响，另外还有一种是由于爪极扰动空气流体引起的高频噪声。这些噪声产生的来源、机理等均比较清晰，查找解决的方法也比较成熟。电磁噪声作为汽车发电机的“老大难”问题，其产生来源涉及到电磁学、声学、固体力学等方面的问题，各种来源之间又互有依存，这个问题一直是汽车发电机时代需重点对待和解决的问题。

爪极式BSG 电机由于其基本结构形式与传统12 V 汽车发电机近似，其NVH 特性也基本与发电机类似。机械噪声和风噪在目前的BSG 电机上出现的机率较小，实际研发过程中也确实没有发现这方面的问题，因此不再赘述。而在电磁噪声问题方面，BSG 电机由于其工作特性和性能变得格外突出，本文重点介绍BSG 电机电磁噪声产生的原因和解决方案，并针对一个实例进行分析说明。

2 BSG 电机噪声产生的机理及解决方法

电磁噪声（Electromagnetic Noise）在《中华人民共和国机械行业标准（JB/T8429-96）》中有明确的定义：在电动机和发电机中，由交变磁场对定子和转子作用，产生周期性的交变力所引起的振动产生的辐射声。一般认为电磁噪声主要为磁路的不平衡磁力及气隙的电磁力波产生的噪声、磁通密度饱和或气隙偏心引起的磁噪声[3]。总的来说，主要是电机中周期变化的径向电磁力或不平衡的磁拉力使定子铁芯发生磁致伸缩和振动所引起。这也是为什么通常所检测到的电磁噪声其所在的阶次与定子槽数一致或处于其谐阶次的原因。

产生电磁噪声的主要原因及解决方案如下：

1）制造和安装的原因，造成转子外圆与定子内圆之间产生气隙偏心，如图2 所示：

图2 电机气隙偏心磁力线分布简图

对于由气隙偏心引起的电磁噪声问题，主要是通过改善制造工艺及产品尺寸控制等手段即可较好地解决，目前实际生产中均已有较好的解决技术方案和经验。

2）定、转子槽都是开口的，气隙磁导在旋转时也是在变化和波动的（所谓的电磁脉动），这种电磁脉动也会产生较多振动谐波。这些振动谐波会对定子铁芯起到“共振效应”，导致其较大的振动。这样定子槽和爪极的形状会直接决定气隙中的磁通密度和引入谐波的频率及振幅范围，从而决定产生“共振”的转速范围和强度。

对于由定子槽及爪极设计产生的电磁噪声问题，主要通过在爪极外表面上的边缘增加“磁导角”的方式解决，且通常设计为切入面与切出面倒角角度大小距离不同，这样有利于避免对称引起的共振问题。有效解决电磁噪声问题。

3）电磁方案设计不佳也是产生电磁噪声的主要原因。传统的3 相发电机从成本考虑一般设计为36槽定子配合6 对极转子。这样的设计在先天上存在电磁脉动大，纹波电压高等缺陷，运行工况下无论如何无法避免定子振动大的缺陷。

针对电磁方案主要的解决措施为改变定转子设计，由3 相电机变为6 相（双3 相）有效降低纹波电压和电磁脉动，从根本上解决电磁噪声大的问题，如图3 所示。

图3 3 相电机与6 相电机电磁噪声比较

4）对于BSG 电机来说，除了由于传统意义的制造、产品设计等因素导致的电磁力不平衡之外，由于其由被动的整流发电机变为了主动控制的电动机，控制方式特别是控制方式的转换成为了一个新的产生异常电磁噪声的重要机理。

当前主流的驱动电机控制方式一般为PWM 控制和全波（Full Wave）控制2 种方式。PWM 控制更精确，控制效率更高；但其受到电机转速和控制器中Mosfet 元件所限，不能达到更高的转速。全波控制方式更简单，电机输出功率更大，更适用于高转速工况下的控制运行。由于BSG 电机既要承担起动发动机作用又要在发动机低速时助力，电机转速由0～5 000 rpm 下希望其具有良好的控制精度和效率，此时通常会采用PWM 控制方式；而BSG 电机随发动机共同运转，又要求其在电机转速18 000 rpm 时仍能正常工作发电，此时电机只能采用全波控制方式。2 种控制方式的不同特别是工况的转换对于电磁脉动的形成和对定子的振动谐波均产生了非常大的影响[4]。

目前来说没有较好的解决方案确保解决该问题，只能在开发过程中尽早进行相关NVH 试验并及时修改软件参数及电机标定，并通过台架及整车试验确保最终问题的解决。

3 BSG 电机电磁噪声解决实例

在开发过程中研发部门认为某型BSG 电机（定子96 槽，转子8 对极）电磁噪声较大，经过整车及台架测量，其坎贝尔图如图4 所示。

从实测结果可以看到，在一定转速以下，由PWM控制方式使转子电磁力与定子各槽之间分别产生了不同的电磁脉动，其产生的定子共振呈一个特殊的扇形分布，且在-24 阶尤其明显。而当过了这个转速点后，电机转入全波控制方式，全波波形加载在定子线圈后造成定子总成明显的异常振动。经过电磁仿真与分析，初步判断其来源于电磁方案固有设计，在Mosfet 控制开关频率固定在10 kHz 时会导致振动谐波的共振，引起定子线圈较大的激励作用，最终导致电磁噪声过大。

整改措施手段为将Mosfet 控制开关频率由10 kHz 变为12 kHz，从根本上避开产生共振的激励。最终测试显示结果较好，有效地解决了电磁噪声问题，如图5 所示。

图5 BSG 电机电磁噪声改善结果

4 结论

综上所述，通过对电磁噪声产生的原因、机理及解决方案的研究及讨论，对于48 V 微混动力系统的开发特别是NVH 问题的解决具有较好的参考及借鉴意义。