某电动皮卡电机啸叫分析与优化

罗轶超，钟秤平，陈清爽，李少杰，缪明学

某电动皮卡电机啸叫分析与优化

罗轶超1,2，钟秤平1,2，陈清爽1,2，李少杰1,2，缪明学1,2

（1.江铃汽车股份有限公司 产品技术开发中心，江西 南昌 330001； 2.江西省汽车噪声与振动重点实验室，江西 南昌 330001）

某电动皮卡车在加速至60～100 km/h时，车内存在高频啸叫问题。针对电机激励源，文章深入分析电机结构及制造过程，采用台架试验法研究制造过程参数磁块磁通量公差、转子叠压厚度、转子生产工艺对电机啸叫的影响。针对整车传递路径，采用有限元法分析传动轴模态，模态试验法测试电机端盖模态，并确定其对电机啸叫的影响。最后，通过端盖模态提升、传动轴轴管加吸音纸、改进电机转子生产工艺，将车内电机48阶啸叫噪声总体优化了6～10 dB(A)，有效解决了电动皮卡电机啸叫问题。

电动皮卡；永磁同步电机；电机啸叫；传动轴模态；转子生产工艺

随着皮卡进城的解禁，皮卡电动化和乘用化趋势日益明显。电动皮卡车电机啸叫属于噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能问题，其主要由齿轮啮合激励和电机电磁激励造成。齿轮啮合激励啸叫控制方法与传统车相同，主要为控制齿形参数和加工工艺[1-2]。电机电磁激励主要包括齿槽转矩和电磁径向力波，其控制方法为电动车特有，仍在研究中。

国内外学者采用解析算法研究齿槽转矩，推导出理想与非理想条件下的齿槽转矩谐波表达式，提出转子开辅助槽[3]、转子斜极[4]、定子斜槽[5]等结构优化方法和定子谐波电流补偿法[6]。针对电磁径向力波，运用解析法和数值法研究电磁力和定转子及壳体模态相互作用向外辐射的噪声[7-8]。

目前多数研究主要集中于电机结构设计优化噪声，未考虑电机制造过程参数控制以及整车边界零件对电机噪声的影响。

1 问题现象

某电动皮卡车在加速至60～100 km/h时，车内存在严重高频啸叫噪声，此时电机转速达到 1 900～2 800 r/min。如图1所示，啸叫噪声的频谱特征为电机转频的46、47、48、49、50倍频噪声能量带，即48倍频及其±1、±2倍边频，后续称作48阶及其边频噪声。从坎贝尔频谱图中提取48阶及其边频噪声能量带，阶次宽度5阶，形成48阶阶次噪声曲线，该噪声在1 500～2 300 Hz频率段偏大，在1 590 Hz、1 840 Hz、2 130 Hz这3个频率处存在峰值。

2 电机啸叫分析

2.1 啸叫测试诊断

某直驱电动皮卡动力传动系由电机、传动轴和后桥组成，如图2所示。

1－电机；2－传动轴；3－后桥；4－传动轴中间支撑。

整车状态下，在电机壳体、后桥、传动轴中间支撑布置振动传感器，在电机近场布置麦克风，采集噪声及振动数据。如图3所示，电机近场噪声48阶能量带明显，与车内噪声特征对应，确定啸叫来自电机激励。

图4为电机噪声振动简易测试台架，近场麦克风布置在距离电机50 cm的位置。根据电机近场噪声48阶噪声曲线可知，在频率为1 590 Hz处的噪声较小，与整车状态噪声不对应，整车路径对该频率噪声存在放大的影响。

2.2 电机影响参数分析

2.2.1电机结构

驱动电机为永磁同步电机，定子齿槽数为48，转子极数2为8。电机48阶噪声为电机的基本齿槽转矩阶次和电磁6阶径向力谐波激励。如图5所示，电机转子采用8段式分段V字型斜极，即转子等分为8段，每段转子由硅钢片和嵌在其中的8个磁极组成，其中每个磁极由两块磁块组成。8段转子铁芯轴向叠在一起，使其磁极中心轴向线错开成如图5所示的V字排列，总斜极错开角度为5.625°，相连段转子磁极错开1.875°。8段转子铁芯叠加后的总轴向长度为转子叠压厚度。

图5 电机转子结构示意图

分段斜极已从设计上将电机理论电磁激励最小化。下文将研究磁块磁通量、转子叠压厚度、转子生产工艺等制造参数对电机啸叫噪声影响。

2.2.2转子磁块磁通量公差影响

每段转子铁芯存在16块磁块，整个电机转子总共有128块磁块，转子各磁块磁通量制造差异影响整个电机磁场的均匀性。

对磁块磁通量进行检测，分别按照设计名义磁通量的1%和5%公差挑选磁块，并制作转子叠压厚度相近电机各3台，在如图4所示的电机台架上测试噪声，得到如表1所示的台架上不同磁通量公差电机的48阶噪声峰值，1%磁通量误差电机噪声显著比5%磁通量误差电机噪声小。

表1 不同磁通量公差电机的48阶噪声峰值

电机噪声峰值/dB(A)磁通公差/% 1#801 2#811 3#801 4#825 5#845 6#855

2.2.3转子叠压厚度影响

电机每段转子铁芯的硅钢片中有开槽，磁块嵌入硅钢片槽中后通过胶水固定。制造过程分段转子叠加后，段与段之间存在间隙影响磁场均一性，用转子叠加厚度评估间隙大小。

按相同的1%磁通量误差控制制作1批电机，对转子等效长度进行测量并记录，挑选不同等效长度的电机在如图4所示的电机台架上测试噪声，得到如表2所示的不同转子等效长度电机的48阶噪声峰值，电机噪声随转子有效长度增加显著增大。

表2 不同转子等效长度电机的48阶噪声峰值

电机噪声峰值/dB(A)转子叠压厚度/mm 1#78201.7 2#79202.4 3#81203.1 4#76201.3 5#83203.6 6#88204.6

2.2.4转子生产工艺分析

受制造精度限制，批量生产的磁块磁通量公差只能控制在5%以内。为将单台电机磁块磁通量公差控制在1%以内，将磁块磁通量进行检测，并按照磁通量范围分A、B、C、D、E、F共5档，并分别标记放置。电机制造装配过程中，同一电机只采用一个档的磁块。

每段转子铁芯厚度公差在25～25.15 mm，理论转子铁芯厚度在200～201.2 mm。如图6所示，实际叠压过程，分段转子间存在间隙，实际转子铁芯厚度比理论厚度大，其大小受工艺影响。

图6 实际转子铁芯厚度示意图

原始转子生产工艺依次为：配胶水点胶－入磁块－单段铁芯单独固化－转子叠装压紧－锁止动螺母。该工艺单段转子固化后表面残留胶水将影响转子端面平整度，进而影响实际转子厚度。改进后转子生产工艺为磁块挑选分档－配胶水点胶－入磁块－转子叠装－锁止动螺母－整个转子烘烤固化。对理论厚度相同的转子铁芯，采用原生产工艺和改进工艺分别生产，并测试实际转子铁芯厚度。如表3所示，改进工艺生产的转子铁芯厚度比原工艺生产的小。

表3 不同工艺制造的转子铁芯厚度

转子号转子铁芯厚度/mm 理论改进工艺原工艺 1#200.6201.6202.4 2#200.9201.7203.1 3#200.7201.3203.6 4#200.5201.4204.6

2.3 传递路径分析

采用有限元法分析传动轴模态，在问题频率1 500～2 300 Hz内，总共有如表4所示的6个模态。

表4 传动轴模态频率

模态振型频率/Hz模态振型频率/Hz 前段轴4阶呼吸1 611前段轴5阶呼吸1 975 后段轴3阶呼吸1 929后段轴3阶弯曲2 123 前段轴4阶弯曲1 944前段轴5阶弯曲2 163

图7 电机输出轴侧端盖径向呼吸模态

采用敲击试验模态方法，测试电机输出轴侧端盖模态。如图7所示，电机输出轴侧端盖模态频率为1 595 Hz，振型为端盖沿径向呼吸。电机端盖径向呼吸模态1 595 Hz和前段轴4阶呼吸模态1 611 Hz相互耦合，对电机噪声放大，导致电机啸叫噪声在频率1 590 Hz出现峰值。

3 优化方案验证

3.1 传递路径优化

图8为电机啸叫传递路径优化措施示意图，包括端盖优化及传动轴轴管内增加3层吸音纸。将电机输出侧端盖肋板宽度由10 mm改为15 mm，深度由2 mm改为4 mm，盖板径向呼吸模态频率由1 595 Hz提升到1 691 Hz，避开前段轴4阶呼吸模态1 611 Hz。在问题频率段传动轴模态较多，避频较困难，故通过传动轴内加3层吸音纸，衰减传动轴向外辐射噪声。如图9(a)所示，端盖优化及轴管内加吸音纸后，车内48阶噪声在1 590 Hz频率降低4 dB(A)，在1 800～2 200 Hz频率范围整体降低2 dB(A)。

图8 电机啸叫传递路径优化措施示意图

3.2 电机工艺优化

将原始和改进后转子生产工艺制造的电机安装到同一台车上，分别测试大油门加速至60～100 km/h时车内噪声。如图9(b)所示，相比于原始工艺电机，改进工艺电机的车内48阶噪声优化4～8 dB(A)。

图9 车内电机48阶噪声优化效果图

4 总结

针对某电动皮卡车加速至60～100 km/h时车内高频啸叫问题，综合分析整车状态电机近场噪声、台架上电机近场噪声阶次特征及峰值频率，确定问题激励源为电机电磁激励，同时路径上在特定频率存在放大的影响。激励源上，深入分析电机结构及制造过程，采用台架试验法研究了制造过程参数磁块磁通量公差、转子叠压厚度、转子生产工艺对48阶电机啸叫的影响，通过改进转子生产工艺，车内啸叫噪声优化4～8 dB(A)。传递路径上，分析了电机端盖模态和传动轴模态频率，通过提升电机端盖模态和轴管内加吸音纸，车内48阶啸叫噪声优化2～4 dB(A)。最终有效解决了电动皮卡电机啸叫问题。该问题的调查过程、分析思路及优化方案可为今后的项目开发及噪音优化提供一定的参考借鉴。

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[4] 李卫民,刘阳,陈静,等.基于转子分段斜极的齿槽转矩优化设计[J].辽宁工业大学学报(自然科学版), 2017,37(5):307-311.

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Analysis and Optimization of Motor Whine in an Electric Pickup Truck

LUO Yichao1,2, ZHONG Chenping1,2, CHEN Qingshuang1,2, LI Shaojie1,2, MIU Mingxue1,2

( 1.Product Development Center, Jiangling Motors Company Limited, Nanchang 330001, China; 2.Key Laboratory of Automobile Noise and Vibration in Jiangxi Province, Nanchang 330001, China )

When accelerating to 60～100 km/h, a high-frequency whine problem occur in an electric pickup truck. For motor excitation source, the structure and manufacturing process are deeply analyzed in this paper, and the influence of magnetic block flux tolerance, rotor thickness and rotor manufacturing technology on motor whine is studied. For the vehicle transmission path,the influence on motor whine of drive shaft mode and motor end cover mode is analyzed by finite element method and experimental modal method. Finally, by improving frequence of motor end cover mode, adding sound-absorbing paper to drive shaft tube and improving the manufacturing process of rotor, the 48th order motor noise in vehicle is optimized by 6～10dB(A), which effectively solves the motor whine problem of the electric pickup truck.

Electric pickup truck;Permanent magnet synchronous motor; Motor whine; Drive shaft mode; Rotor manufacturing technology

TB533

A

1671-7988(2023)20-05-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.002

罗轶超（1989－），男，硕士，高级工程师，研究方向为动力传动系NVH，E-mail:yluo17@jmc.com.cn。

南昌市重大科技攻关项目（洪科字〔2023〕137号）。