某新能源车用永磁同步电机啸叫优化

2024-12-09 00:00张镇卢若皓蒋伟陈炜然
汽车电器 2024年11期

【摘 要】针对纯电动汽车在25~50km/h车速时出现48阶啸叫问题,文章通过在转子表面开辅助槽减低电磁激励,改善NVH性能并进行转子结构强度校核分析。优化后方案48阶扭矩波动大幅下降,最高工作转速16000r/min下强度安全系数1.46,1.1倍最高工作转速17600r/min下强度安全系数1.6。最后通过实车NVH主观评估满足要求,48阶车内噪声在车速25~60km/h范围内比优化前改善5~10dB。

【关键词】NVH优化;扭矩波动优化;电磁力优化;结构强度

中图分类号:U469.72 文献标识码:A 文章编号:1003-8639( 2024 )11-0071-04

Optimization of Gearbox CLTC Working Condition Efficiency Based on Particle Swarm Algorithm

【Abstract】In order to solve the problem of 48th-order acoustic noise in pure electric vehicles at 25~50km/h,this paper reduces the electromagnetic excitation by opening symmetrical auxiliary grooves on the rotor surface to improve the NVH performance,and then performs the rotor structure strength verification analysis. After the optimization,the 48th order torque ripple is greatly reduced. The strength safety factor is 1.46 at the maximum working speed of 16000r/min,and the strength safety factor is 1.6 at 1.1 times the maximum working speed of 17600r/min. Finally the requirements are met through the NVH subjective evaluation of the actual vehicle,and the Cabin noise of the 48th order is improved by 5~10dB compared with that before the optimization in the range of 25~50km/h.

【Key words】NVH optimization;torque ripple optimization;electromagnetic force optimization;structural strength

0 引言

近年来随着新能源汽车的推广及消费者对整车性能追求的提升,车辆NVH性能成为整车开发过程中必不可少的评价指标。电驱NVH性能是整车NVH性能的重要组成部分,也是噪声产生的主要源头,对电驱NVH优化能够改善整车声品质,进而提高整车舒适性和竞争力。

文献[1]通过优化斜极角度改善电磁激励并建立包含激励源和传递路径的整机仿真流程。文献[2]研究了隔磁桥对电机NVH性能的影响,为隔磁桥设计提供思路。文献[3]通过优化转子结构改善电磁力并通过试验验证优化的有效性。文献[4]提出能够优化48阶噪声的转子拓扑结构。文献[5-6]通过优化定子加工工艺及结构刚度改善电驱啸叫。文献[7]研究了PWM开关噪声,建立仿真模型,通过试验验证仿真模型的准确性。文献[8]通过注入谐波电流改善电磁噪声,从而提升整车NVH性能。

本文对某纯电动车型在中高速出现的高频啸叫问题进行分析,通过整车主观评价及客观NVH数据分析确定噪声是电机48阶电磁噪声,然后进行电磁方案优化,从激励源处优化噪声。

1 整车评价及声源分析

1.1 主观评价

1)中大油门加速工况,0—100km/h:车速在25—50km/h车速段内有明显的啸叫。

2)中小油门加速工况,0—100km/h:车速在25—50km/h车速段内有明显的啸叫。

3)滑行工况,100km/h—0:车速在25—50km/h车速段内有明显的啸叫。

啸叫严重影响整车舒适性及驾驶体验,主观评价初步判断啸叫来源于电驱。

1.2 客观测试

为进一步定位啸叫噪音的来源,在车内驾驶员右耳处及电驱10cm近场布置麦克风,并在壳体上布置三轴振动传感器,通过数据采集设备采集振动、噪声及转速、转矩信号。车内噪声频谱如图1所示。

图1中,车内48阶噪声突出转速段与主观评价抱怨车速对应转速段一致,因此定位啸叫是电机48阶电磁噪声,判断由电机激励过大导致。本文从降低电磁激励的角度出发进行电磁方案优化。

2 电磁方案优化

基于现有已开模电机考虑,改动量尽可能小,以减小开发和验证代价。本文通过在转子表面开对称的辅助槽优化48阶扭矩波动和电磁力。转子辅助槽结构示意图如图2所示,其设计参数包括辅助槽中心偏离D轴角度θ1、辅助槽角度θ2和θ3、辅助槽顶点距离圆心的距离L、辅助槽顶点半径R。

2.1 扭矩波动优化

通过扫描辅助槽参数,以3000r/min、160N·m、120N·m、80N·m和40N·m工况48阶扭矩波动最优,得到电磁激励最优的位置。优化后辅助槽最优参数见表1。

计算3000r/min160N·m、120N·m、80N·m和40N·m优化前和优化后电机输出扭矩,并对扭矩进行FFT分解,得到相应工况24阶、48阶、96阶和144阶扭矩分量,计算相应阶次扭矩占输出扭矩的比例。24阶扭矩波动结果见图3,从图中可以看出优化后80N·m和40N·m工况的24阶扭矩波动比略微增大,24阶扭矩波动对应24阶噪声,可以通过谐波注入进一步优化。48和96阶扭矩波动结果见图4、图5,从图中可以看出48阶和96阶扭矩波动占比在各工况下均有较大幅度下降。144阶扭矩波动结果见图6,从图中可以看出144阶扭矩波动在各工况下有所恶化,由于144阶对应的频率较高,可以通过整车声学包隔声减小车内噪声。

2.2 电磁力计算

计算优化前后7500r/min峰值扭矩对应的电机电磁力,对电磁力进行二维FFT分析,得到电磁力时空分布(图7、图8)。从图中可以看出空间0阶次和时间0阶次径向电磁力优化前155000Pa,优化后152200Pa,下降1.8%;空间0阶次时间48阶次优化前9294Pa,优化后8836Pa,下降4.9%;空间-8阶次时间40阶次优化前25970Pa,优化后24580Pa,下降5.3%,优化后48阶电磁力有所改善。

2.3 转子结构强度校核

对NVH性能优化的转子进行结构仿真分析,同时考虑离心力载荷、温度载荷及转轴和转子铁芯之间过盈量的影响,设定温度载荷为150℃,转轴和转子铁芯之间采用最大过盈量0.035mm,分别校核转速为最高工作转速16000r/min和1.1倍最高工作转速17600r/min下的静强度,分析结果见图9、图10。

最高工作转速16000r/min下,转子铁芯最大Mises应力出现在转子外侧的隔磁桥处,应力值为252.2MPa,低于材料屈服强度368MPa,安全系数为1.46。1.1倍最高工作转速17600r/min下,转子铁芯最大Mises应力出现在转子外侧的隔磁桥处,应力值为305.2MPa,低于材料抗拉强度489MPa,安全系数为1.6,强度满足要求。

3 试验验证

优化后样机搭载整车NVH测试,主观评价可以接受,车内噪声如图11所示。优化前后样机48阶噪声切片如图12所示,从图中可以看出48阶车内噪声在电机转速2000~5000r/min范围内比优化前改善5~10dB。

4 结论

本文针对某纯电动车型高频啸叫NVH问题进行分析,定位噪声源为电机48阶电磁噪声。

1)从减小激励源的角度出发,通过在转子表面开辅助槽,对辅助槽参数寻优降低电磁激励,改善电磁噪声。优化后3000r/min时,160N·m、120N·m、80N·m和40N·m工况下48阶扭矩波动大幅改善。7500r/min下,48阶径向电磁力密度降低5%左右。

2)对优化后转子进行结构强度校核,最高工作转速16000r/min下结构强度安全系数为1.46,1.1倍最高工作转速结构强度安全系数为1.6,满足结构强度要求。

3)优化后样机搭载整车NVH测试,主观评价可接受,与优化前方案相比,车内48阶噪声在电机转速2000~5000 r/min范围内改善5~10dB,验证NVH优化方案的有效性。

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