1前言

驅動電機是純電動汽車的動力核心[1]，當電機出現(xiàn)故障時其振動噪聲會加劇，將嚴重影響整車舒適性[2]。電機定子與殼體多采用過盈配合連接，過盈配合對電機殼體強度影響很小，且具有結構簡單、對中性好、可承受較大軸向力和扭矩等優(yōu)點[3-4]。驅動電機的實際工作溫度范圍為-40～150℃，且有劇烈的振動，這對電機定子與殼體的實際過盈量有很大影響。為探明定子與殼體間過盈量對電機噪聲的影響，以及電機噪聲隨溫度變化趨勢，本文以純電動汽車驅動用48槽8極永磁同步電機為研究對象，采用階次分析方法，通過對具有不同定子與殼體過盈量的電機和在不同溫度下的電機進行了空載勻加速近場噪聲測試分析，并給出了電機定子與殼體過盈量取值建議，以作為電機噪聲優(yōu)化的參考。

2階次分析方法

電機升速與降速過程的噪聲信號是非穩(wěn)態(tài)信號，若對此信號直接利用快速傅氏變換FFT（FastFourierTransformation）進行頻譜分析，則會產(chǎn)生“頻率混疊”現(xiàn)象。若對電機升速或降速信號以電機軸轉角為參考進行恒角度增量采樣，則可將電機升速或降速過程的時域非穩(wěn)態(tài)信號轉化為角度域穩(wěn)態(tài)信號，此時再進行FFT變換會可以避免“頻率混疊”現(xiàn)象。等角度采樣又稱階次采樣或階次追蹤，是一種有效的非穩(wěn)態(tài)信號分析方法。

為確定采集到的噪聲信號與電機轉速關系，在測試時需引入轉速信號作為參考。首先對噪聲信號和轉速信號分兩路以遠高于奈奎斯特（Nyquist）采樣頻率的頻率進行等時間間隔采樣，然后根據(jù)轉速信號估計轉速發(fā)生時刻，再對此轉速下對應的噪聲信號進行插值重采樣，從而得到近似穩(wěn)態(tài)信號。

典型的階次分析頻譜圖中，一種是以橫軸為參考軸轉速，縱軸為聲壓級，在圖中同時顯示總聲壓與各階次聲壓曲線，可以定性地看出各階次聲壓在某頻率下對總聲壓的貢獻情況；另一種階次頻譜圖采用X坐標為噪聲信號頻率或者噪聲信號頻率與參考軸轉動頻率的比值，即階次，Y軸代表聲壓級，Z軸代表參考軸轉速或噪聲采樣時間，這種表示方法可以分析噪聲在頻域內(nèi)的分布。階次計算式為：

式中，O為階次；f為各部頻率，Hz；n為參考軸轉速，r/min。

3電機噪聲來源

3.1機械噪聲

永磁同步電機中的機械噪聲主要有電機轉子不平衡引起的一階振動噪聲及電機的滾動軸承引起的噪聲。滾動軸承尺寸和滾動體個數(shù)與其階次噪聲有直接關系，較常見的有軸承內(nèi)、外圈的通過頻率引起的階次噪聲。通過頻率是滾珠通過軸承內(nèi)滾道和外滾道時產(chǎn)生的沖擊特征，外圈和內(nèi)圈的通過頻率計算式

式中，fouter、finner為軸承外圈和內(nèi)圈通過頻率；Nb為滾動體個數(shù)；fr為參考軸轉動頻率；Dc為軸承節(jié)徑；β為接觸角；Db為滾動體直徑。

本文研究的永磁同步電機軸承滾珠為9個，因此內(nèi)、外圈的通過頻率分別為5.4階和3.6階。

3.2空氣動力噪聲

空氣動力噪聲一般由電機散熱風扇等元件以及轉子旋轉形成的空氣渦流噪聲、風扇旋轉使冷卻空氣周期性脈動或氣體撞擊障礙物而產(chǎn)生的單頻噪聲、風路中薄壁零件諧振或風路設計不合理產(chǎn)生的“笛聲”[6]等構成。

電動汽車驅動用永磁同步電機采用水冷卻或自然風冷卻，因此不存在單頻噪聲和“笛聲”，但存在轉子旋轉形成的空氣渦流噪聲。又因為永磁同步電機為閉式電機，空氣渦流噪聲不能輕易傳遞到電機外部，所以此噪聲可以忽略不計。

3.3電磁噪聲

電機氣隙磁場作用于電機定子鐵芯產(chǎn)生電磁力，電磁力引起定子鐵芯的振動，進而引發(fā)電磁噪聲。由于氣隙磁密波的作用，在定子鐵芯齒上會產(chǎn)生徑向電磁力和切向電磁力，其中徑向電磁力使定子鐵芯產(chǎn)生的振動變形是電磁噪聲的主要來源，而切向電磁力使定子齒根部彎曲產(chǎn)生局部振動變形，是電磁噪聲的次要來源。對于永磁同步電機，其徑向電磁力可由麥克斯韋應力張量法求得[7]，即式中，Pn為理想條件下引起電機電磁噪聲的徑向力波，N/m2；b（θ,t）為氣隙磁密，T；μ0=4π×10-7H/m為真空磁導率。

在理想情況下，電機轉子徑向所受的磁拉力合力為零且徑向力波的特征階次為電機極數(shù)的整數(shù)倍[8]。但在實際情況下，由于結構、零部件的加工及裝配和材料磁化等原因，電機會產(chǎn)生兩部分徑向不平衡磁拉力，一部分與時間無關，方向指向間隙很小方向；另一部分與時間相關，其波動頻率為電頻率的2倍。若電機的磁極對數(shù)大于3，則只有與時間無關的部分存在。

當采用變頻器供電時，永磁同步電機定子電樞反應磁場中產(chǎn)生大量與開關頻率有關的諧波成分，顯著影響電機氣隙磁場中電磁力波的幅值和次數(shù)，并會因電磁激振力頻率與電機某些模態(tài)固有頻率接近而發(fā)生共振，進而引起電機振動和噪聲增大。