理论与设计r/A r-o/y du
陈致初1王亚杰2任增杰3李伟业2史俊旭2
1襄阳中车电机技术有限公司（441000 )
2中车株洲所电气技术与材料工程研究院（412001 )
3懿朵信息科技（上海）有限公司（200000 )
Study on Simulation Method of Electromagnetic Noise of Driving Motors in EVs CHEN Zhichu WANG Yajie REN Zengjie LI Weiye SHI Junxu
Xiangyang CRRC Electric Motor Technology Co.,Ltd.
CRRC ZIC Research Institute of Electrical Technology&Material Engineering
Yiduo Information Technology(Shanghai)Co.,Ltd.
摘要：电动汽车的噪声、振动和声振粗糙度(N V H)与燃油车有较大的不同，尤其是电机的高频电 磁噪声，很容易引起消费者的投诉。文章对电磁激励、结 构的仿真及试验模态等进行了分析和研究，并在此基础 上，计算了电机系统阶次的等效声功率，为纯电驱动电 机的噪声分析及解决提供了指导。
关键词：电磁噪声有限元模型电磁激励声功率
中图分类号：T M351文献标识码：A
DOI 编码：10.3969/j.issn.l006-2807.2020.02.001
Abstract: Noise, vibration and harshness (NVH) of electric vehicle differ from those of fuel vehicles greatly, especially the high frequency electromagnetic noise which causes the customers' complain frequently. Analysis and research are performed in the fields of electromagnetic excitation, constructional simulation and test modal as well. Based upon these analysis and research, the equivalent acoustic power of the order of the motor system is calculated to provide the guidance for noise analysis and solution of the pure electric driving motor.
Keywords: electromagnetic noise FEM modal electromagnetic excitation acoustic power
随着纯电动汽车在国内的大规模推广，其 噪声、振动与声振粗糙度（N o ise、V ib ra tio n、Harshness,
NVH)问题也越来越受到重视。电动 汽车的动力系统与燃油车有很大的不同，纯电动 汽车由电机驱动，通过调节电机转速来实现电动汽车的不同转速，并用单级减速器来实现减速增 扭。由于工作原理不同，电动汽车与传统燃油汽 车产生的N V H问题有本质上的差异。电机运行 时会随着磁场的变化产生不同频率的电磁力，这 些激励作用在电机定子上，从而使整个电机产生 振动，并向外辐射噪声。一般电磁噪声的频率很 高，而在没有其它噪声的遮蔽时，很容易引起消 费者的投诉。
目前，国内对电动汽车振动噪声的研究较少，而针对纯电驱动汽车的动力总成振动噪声的 研究则更少[1]。随着电动车转速的提高和功率密 度的提升，其复杂的电一磁一机械一声多物理耦 合场决定了研究电动车N V H的困难性.崔淑梅 等[4]利用联合仿真的方法研究了永磁直流电机辐 射噪声特性。王玎等[5]以瞬态电磁场得到的时变 电磁力为基础，进行电机定子结构的响应分析，得到在电磁力激励下电机定子结构的振动响应 方源等[6]对电动车动力总成的内部激励源持征 进行了分析，对电机的激励机理进行了说明李晓华等[7]基于模态叠加法的电机振动噪声的分 析方法，对一台燃料电池汽车用永磁同步电机进 行了计算。通过叠加主要径向力波在不同频
的谐波响应，得到电机运行范围内的振动啤玟
《电机技本》2〇2〇年第2期.I .
理论与设计
据。虽然众多学者对电机系统的电磁噪声仿真方 法进行了研究，但对其中的关键点及分析思路的 介绍仍不够全面，且对纯电汽车用电机系统的电 机噪声问题研究较少。
本文以某纯电永磁同步电机为例，从开发中 存在的问题点着手，对电机电磁噪声的仿真方法 进行了研究和优化改进。首先，对问题点的电磁 激励进行分析；之后，通过模态试验获得准确的 电机有限元模型；最后，计算得到电机的振动及 辐射声功率，并通过试验对比说明分析的准确 性。
1 电机N V H 问题分析
某纯电动汽车搭载了我司开发的A 型电机系
统，电机为48槽4对极。在某车型满油门加速过 程中，当转速到达6 000~7 500 r /m in 时能主观感 受到有明显的电机高频啸叫。因此，在主驾右耳 布置传声器进行噪声测试，测试结果表明电机48 阶次噪声在该转速段幅值较大，阶次图如图1所 示，在6 000 ~7 500 r /m in 附近有明显的峰值。. 进一步提取电机机壳的本体振动，如图2所示， 发现在6 800 r /min 附近存在明显的共振峰值针 对该问题，研究了电机电磁噪声的仿真方法并提 出了解决该问题的优化措施。
53 000 3 500 4 000 4 500 5 000 5 500 6 000 6 500 7 000
转 (r/min 〉
图1某车的48阶阶次噪声（主驾右耳)
40
转速"r/min)
图2电机48阶阶次振动
2 电磁激励分析和电磁模型的建立电机工作时，在定子绕组中会通入三相电
流，电流产生的磁场与转子永磁体磁场相互作 用，产生扭矩。但是，由于电机的气隙磁场中会 存在很多的谐波磁场，这些谐波磁场会产生一系 列电磁力谐波。通常可使用麦克斯韦应力张量法 计算气隙中的电磁力[6]，即：
(1)
0广
^0
(2)
式中：a r , a t — B r ，一■•气隙中电磁力；
-气隙中磁场密度；
/切—真空磁导率，取值为43t X 10_7 N /A 2。 本文中的永磁同步电机极槽数为8极48槽， 双层绕组形式，根据定、转子尺寸参数，在电磁 计算软件中建立电磁仿真模型。由于磁场的周期 性，采用1/8模型进行汁算，电磁仿真模型如图3 所示。
图3电磁仿真模型
在电磁计算完成后，需要提取出气隙中的切 向和径向磁密。通过在气隙中设置一定数量的监 测点，可以得到气隙磁密结果。计算出的气隙磁 密通过麦克斯韦张量法，得到气隙中电磁力的分 布。电磁径向
力波是空间和时间的谐波，可以分 解为一系列的空间和频率阶次。将得到的径向力 进行双重傅里叶变换，得到频率和空间阶次。电 磁径向力的空间阶次实际反映的是电磁力之间 的幅值相位关系，当所有电磁力同相位、同幅值 时，空间阶次为0阶。当电磁力幅值和相位不同
•2. 2020年第2期《
电机技本》
理坨与设计
时，从空间上显示的就是2、3、4等高阶次空间谐
波。图4为某几阶径向力空间阶次的表现形式。
图4径向电磁力空间阶次示意图
当电磁径向力和电机结构模态的频率和空 间阶次都重合时，结构将产生严重的共振并向外 辐射噪声。因此在分析电磁力的时候，不但要关 注激励频率，还需要关注激励的空间形式。汽车电机
将本文计算得到的某固定转速下气隙测点 数据变换为电磁力密度，并在直角坐标系中显 示，结果如图5所示。图5中横坐标为转子角度，纵坐标为定子角度，颜深浅表示电磁力密度的 幅值大小：
图5电磁力密度分布图
由图5可以看出，电磁力在空间分布上有明显 的周期性。对得到的时域数据进行双重傅里叶分 解，可以得到空间和频率阶次，如图6所示。图6中横轴表示空间阶次，纵轴表示频率阶次，颜深 浅表示幅值的大小。
由图6中可以看出，径向电磁力的空间阶次 主要分布在〇阶以及极数的8n倍数阶次。对于驱 动电机，最严重的问题是由于呼吸模态与〇阶电
图6电磁力空间阶次图
磁力产生的共振噪声问题。6 800 r/m in、48阶确 实存在较大的力波幅值，与试验结果吻合，需要重点关注。
3 模态试验与仿真校准
3.1模态试验结果分析
为了建立准确的有限元模型来反映关注点 的噪声问题并且进行优化，首先要对电机零部件 及整机进行模态试验，以获得结构的自由模态试 验结果。
本文分别对定子铁心、带绕组定子、带壳体 定子以及电机整机进行自由模态试验。试验样件 分别用弹性橡皮绳进行悬挂，模拟自由状态。其 中定子铁心模态试验示意如图7所示。
图7定子铁心模态测试图
测试方法采用移动力锤法，并且为了得到呼 吸模态频率振型，测试频率需要在6 000 H z以上。通过提取模态结果，可以得到不同阶次圆柱 模态频率、振型和阻尼，其中定子铁心模态振型 如图8所示。
以同样的测试方法分别对其它零部件以及 整机进行模态测试，试验结果如表1所示。
《电饥技本»2〇20年第2期
.3.
理论与设计
(a)二阶圆柱模态 （b)三阶圆柱模态
(c)四阶圆柱模态 （d)呼吸模态
图8定子铁心模态振型
表1电机整机及零部件模态测试结果
测试对象模态振型模态阻尼模态频率/Hz
二阶圆柱模态 1.82%1 298电机整机
三阶圆柱模态 1.06% 2 669
四阶圆柱模态 2.20% 4 034
呼吸模态 1.43% 5 369
二阶圆柱模态0.85%500嵌线定子
三阶圆柱模态 4.93%1 471
四阶圆柱模态 2.59% 2 684
呼吸模态 3.97% 5 053
二阶圆柱模态0.01%567定子铁心
三阶圆柱模态0.15%1 521
四阶圆柱模态0.15% 2 723
呼吸模态0.31% 5 657
二阶圆柱模态0.47%955机壳+
三阶圆柱模态 1.15% 2 537
嵌线定子
四阶圆柱模态 1.47% 4 008
呼吸模态 1.74% 5 472
3.2电机结构模态仿真分析
在有限元软件中建立电机整机的三维模型，保留主要特征。设置相应的材料参数和质量参 数，采用优化手段对有限元模型进行校准。校准 路径如图9所示。
通常，采用由零部件到整体的方法对结构模•4. 2020年第2期《电机技本》型进行修正。对于本文所研究的电机，模型修正 时按照以下过程进行：
(1)定子铁心模态校准；
(2) 嵌线定子模态校准；
(3) 机壳+嵌线定子模态校准；
(4) 电机整机模态校准。
其中，由于定子铁心是由硅钢片叠压而成的，其轴向刚度与径向刚度有所区别，分析时建 立整体定子模型，采用正交各向异性材料来进行 模拟。建立的定子铁心有限元模型如图10所示。
图10定子铁心有限元模型
模态仿真结果如表2所示。由表2可知，仿真 结果与试验结果相比，误差控制在5%以内，满足 NVH仿真精度要求。
在此基础上，对电机的零部件逐步校准，最 终得到电机的三维模型如图11所示。校准得到整 机的模态仿真结果与试验结果对比如表3所示：
4电机振动噪声分析
在获得电磁激励载荷和模态仿真结果后，使 用模态叠加法对电机的振动和噪声进行分析；
通
理论与设计表2仿真与试验模态结果对比
模态振型振型仿真频率
/Hz
测试频率
/Hz误差
二阶圆柱553567-2.5%
三阶(M l柱
1 5031 521-1.2%
四阶1M I柱
d
2 592 2 723-4.8%
呼吸模态^•fB 5 581
5 657-1.3%
f f l l l电机整机模型
表3仿真与试验模态结果对比
模态振型仿真频率/Hz测试频率/Hz误差
二阶圆柱1 3091 2980.8%
三阶圆柱 2 650 2 669-0.7%
四阶圆柱 4 249 4 034 5.3%呼吸 5 341 5 369-0.5%
常噪声计算时需要建立声场模型，利用有限元或 边界元法来获得声场中测点的声压值[7]。本文采 用等效声功率（E R P)的计算方法，在反映问题 有效特征的基础上，提高分析效率。
由声学基本原理可知，辐射声功率与结构表 面振动速度存在如下关系：
E R P=a\A<V2>dA(3)式中：—等效辐射声功率；
(T声福射系数；
\A<y2>dA—结构表面振动速度均方值，
声辐射系数〃可根据结构表明尺寸近似获 得。因而在计算输出表面振动速度均方根值后，乘以声辐射系数即可得到结构辐射声功率的近 似值。
计算得到的48阶等效声功率结果如图12所 示。从图12中可以看出，48阶在6 700 r/m in左右 有较大峰值，对应频率为5 360 H z，等效声功率 级为85 dB，与试验结果吻合较好
泛65
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图U48阶声功率结果
为了给优化提供方向，需要分析电磁力波径 向力及切向力与问题点噪声的关系。计算结果如 图13所示。从图13屮可以看出，在5 360 Hz问题点 处，噪声几乎全部由径向力引起
频串/Hz
图13不同电磁力贡献结果
在此基础上，通过计算电机在5 360 Hz频率 处的工作振型来判别噪声与结构模态的关系。如 图14所示，电机的工作振型为明显的呼吸振型。由此推断问题点处的噪声是由于空间〇阶的电磁 力波与结构呼吸模态共振产生的
5 结语
(下转第13页）
《电机技本》2020年第2期
.5.
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