上海汽车集团有限公司技术中心 上海 201804
摘要：驱动电机作为电动汽车的动力驱动部件，良好的声学性能对提升整车品质具有重要意义。在驱动电机的设计开发阶段，降低噪音设计，能够提高汽车乘坐舒适性，提升整车的市场竞争力。本文以某驱动电机为研究对象，综合运用有限元和边界元方法，对该驱动电机进行了多物理场耦合仿真分析，借助电磁仿真软件Maxwell计算出电磁力波，利用ANSYS计算结构固有模态，然后在LMS Virtual Lab中进行振动和声学仿真计算。最后，针对电机机壳加强筋进行了优化设计。结果表明：优化模型相比原模型在最大峰值声压处降低了5.2dB，减振降噪效果良好，对工程实践具有重要的指导意义。
关键词：驱动电机；多物理场耦合；有限元；边界元
acoustic analysis and optimization of traction motor in electric vehicle
HUANG SHAORUI1XIAO DONG1MIN YUANLIANG1
(1.SAIC Motor Technical Center，Shanghai，201804)
Abstract：As the power driven unit of electric vehicles, good acoustic performance of traction motor is of great importance for improving the quality of the whole vehicle. In the design and development process of traction motor, it can improve the riding comfort of the vehicles and market competitiveness of products through noise reduction design. This paper studies the characteristics of traction motor in electric vehicles. By integrating FEM and BEM methods, multi physical field coupling simulation analysis of traction motor was carried out. The electromagnetic force was calculated by the electromagnetic simulation software Maxwell, and the natural mode of the structure was calculated by ANSYS. Then, the structural response and the acoustic simulation were performed in LMS Virtual Lab. Finally, the optimization design of the stiffener of the motor is carried out. The results show that the sound pressure of the optimal model is reduced by 5.2 dB, and the effect of vibration and noise reduction is bett er than the original one, which is of great significance for engineering application.
Key words：traction motor; multi-physics coupling; FEM; BEM
0 引言
相比传统汽车，电动汽车通常被认为是既环保又安静。然而，电动汽车由于没有了发动机这一主要噪声源，在无掩蔽效应的作用下，电机噪声更易凸显。如今，电动汽车产业蓬勃发展，为抢占市场先机，各大汽车研发中心均在研发初期充分发挥虚拟仿真分析技术。针对驱动电机NVH性能的研究，仅仅依靠针对电机样件的实验验证方法和流程已经远远不能满足现代工程的需求，而基于物理和数学模型的虚拟仿真分析技术正在扮演越来越重要的角色。电机是包含了结构场、电磁场和声场的复杂多场耦合对象，电磁噪声是驱动电机的主要噪声源[1-2]，对电机的声学性能分析需充分研究电磁激励载荷下的多场耦合结构特性。
针对电机振动噪声的研究，国内外学者已经开展了大量的工作。代颖等[3]采用有限元法对电动汽车驱动电机进行了模态分析，基于等效的整机有限元模型进行仿真，并通过模态试验进行了验证。张磊等[4]推导了永磁同步电机沿空间分布的径向力波解析式，从电磁力波的角度分析了永磁同步电机电磁振动的成因，并分析了其分布规律以及电磁振动相关的影响因素。相龙洋等[5]针对驱动电机进行了声振特性台架试验，分析了电机振动噪声的主要特征频率及其引发原因。
本文结合工程实际，以某电动汽车驱动电机为研究对象，基于有限元和边界元理论，对电动汽车驱动电机声振特性进行研究，评估其电磁振动噪声水平。在此基础上，为了获得更好的减振降噪效果，优化了机壳加强筋结构，有效降低了驱动电机的噪声。
1驱动电机电磁噪声特性
电机噪声源一般可分为三类：电磁噪声、机械噪声、空气动力学噪声。其中，水冷电机一般不考虑空气动力学噪声。电磁噪声则被认为是影响电动汽车NVH性能的重要因素之一。电机在工作状态下激发气隙磁场，气隙磁场存在于电机定、转子间微小的空气间隙中。在气隙磁场的作用下，会在电机定、转子上产生电磁力。电磁力是电机振动噪声的主要激励源，结构在电磁力的作用下产生振动，并通过壳体表面向外辐射噪声，这部分噪声被称为电磁噪声。影响电机电磁噪声的因素有：电机控制、电磁设计和结构设计。受电机控制侧降噪难度和整车性能需求等因素限制，优先考虑通过优化结构本体设计来降低电机振动噪声水平。该驱动电机为永磁同步电机，水冷式，8极60槽，主要由定子、转子、前端盖、后端盖、机壳等组成，其优化前有限元模型如图1所示。优化前机壳为四边形筋，在圆周向呈环形分布，在轴向呈直列状分布。
图1驱动电机优化前有限元模型
Fig.1 FEM model of the traction motor before optimization
2多物理场耦合仿真
2.1 模态分析
模态是结构的固有属性，通过其特征参数可以完整的描述某个振动系统。以振动理论为基础来识别模态参数的分析方法，称为模态分析。通过模态分析的方法可以确定结构在某个频率范围内，结构的固有频率、振型和阻尼比，从而确定结构薄弱点和预测结构振动特性。模态分析是进行振动响应分析的基础，是进行结构动态特性研究的重要方法之一。
根据弹性力学理论，多自由度振动系统的动力学方程为：
根据式(2-6)的计算可得出N个ω2值，即可得到多自由无阻尼系统的N个固有频率值ωj (j=1,2,.....n)，再将这N个值依次代回式(2-5)，得到相应的N个正则化振型向量{ϕ}j。
基于ANSYS有限元分析软件，对该驱动电机整机进行模态分析。采用Lanczos法，计算频率范围为0-6000Hz，优化前模型固有频率如表1所示。
通常低阶径向模态对驱动电机振动噪声影响较大，需要重点关注。径向二阶模态和径向三阶模态仿真结果如图2所示。径向二阶模态振型为椭圆形模态，发生在1816.19Hz。径向三阶模态振型为三角形模态，发生在4069.43Hz。
2.2振动响应分析
在Maxwell中进行电磁场仿真，提取电磁力，工况为220Nm、4200rpm。导入LMS Virtual Lab后，通过映射方式加载在结构网格上。在定子齿部施加电磁力载荷，利用模态叠加法，计算自由状态下的电机振动响应，如图4所示。计算频率范围为0-6000Hz，步长为70Hz。结果表明，振动峰值发生在1820Hz处，与电机径向二阶模态频率非常接近，该处振动峰值主要由二阶径向模态引起。4060Hz处也存在较大振动峰值，由电机径向三阶模态引起。1820Hz振动云图如图5所示，主要表现为机壳表面振动。
2.3 声学响应分析
在声学仿真软件LMS Virtual Lab中，以电机表面振动加速度作为边界条件，映射到声学边界元网格上，基于边界元法计算其辐射噪声。声学响应场点为以电机中心为原点、半径为1m的球面。传播介质为空气。计算频率范围为0-6000Hz，步长为70Hz，各频率点处辐射噪声结果如图6所示，1820Hz辐射噪声云图如图7所示。结果表明：最大声压为67.2dB，发生在1820Hz，该处声压峰值主要由径向二阶模态引起。
3驱动电机声振优化
3.1 结构优化理论
根据声学理论，结构的表面声压与其振动速度成正比。建立结构振动与表面声压间的关系，通过结构表面的振动速度可以推导出表面声功率的理论公式：
根据式（3-2）可看出，结构的振动响应与所施加的激励及频响函数有关，只要这二者之一在某频率处出现峰值，则振动响应也会在该处出现峰值。由此可看出，减小结构的振动响应有以下方式：（1）激励力的频率要尽量避开结构的固有频率；（2）减小激励力；（3）增加结构的刚度和阻尼。激励力主要由电机电磁设计决定。实际整车开发中，电磁设计因整车动力需求限制，增加结构的刚度和阻尼是一种有效可行的减振降噪方式。在优化模型中，仅针对机壳进行优化，主要改变了加强筋的结构形式，优化后的加强筋为六边形，如图8所示。
图8驱动电机优化后有限元模型
Fig.8FEM model of the traction motor after optimization
3.2 声振优化结果
优化后模型仅针对机壳重新划分网格，转子、定子、前端盖和后端盖等均采用优化前网格模型，重新装配后建立优化后的有限元模型。在优化前后，求解参数设置保持一致。通过对优化后的模型进行结构和声学仿真，求解优化后模型的振动响应和辐射噪声。
优化前后振动响应如图9所示，1820Hz优化后声压云图如图10所示。结果表明，1820Hz处振动加速度从优化前的11.9m/s²降低至6.36m/s²。1820Hz处优化后的峰值声压降低至62dB，降低了5.2dB。优化后的六边形加强筋减振降噪效果良好，对机壳结构设计具有重要的指导意义。
4 结论
（1）本文针对驱动电机进行了基于电磁场、结构场和声场的多场耦合仿真分析，计算了电磁力激励、结构固有模态、振动和声学响应。
（2）0-6000Hz内，该驱动电机存在二阶径向模态和三阶径向模态，并在对应模态频率附近产生振动峰值。优化前，最大振动加速度为11.9m/s²，最大声压幅值为67.2dB，均发生在1820Hz。
（3）针对机壳加强筋进行优化设计，优化后的六边形加强筋相比四边形加强筋能有效降低电机的振动噪声。其中，1820Hz处峰值声压降低了5.2dB。
参考文献
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论文作者:黄少锐,肖栋,闵远亮
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/12
标签：电机论文; 噪声论文; 电磁论文; 结构论文; 模态论文; 声压论文; 声学论文; 《基层建设》2018年第22期论文;