NEW ENERGY AUTOMOBILE | 新能源汽车
朱克非
上海汽车电驱动有限公司 上海市 201806
摘 要： N VH（Noise Vibration Harshness噪音振动平顺性）是新能源汽车行业衡量驱动电机的设计水平和制造质量的重要指标。为了从制造过程来分析和优化驱动电机的NVH性能，提升量产电机产品的制造质量，本文结合六西格玛DMAIC质量体系方法，应用到车用驱动电机产品的实际量产制造中，进行了制造产线中NVH相关的MSA（测量系统分析），利用FTA（故障树分析）得到了影响电机制造NVH的相关变量，通过相关性分析方法和最佳子集回归法得到了影响制造NVH的关键因素，优化并将改善点加入了产线NVH控制计划。本研究对于提升车用驱动电机的制造质量水平及建立车用驱动电机制造NVH开发体系具有重要意义。
关键词：新能源汽车 驱动电机 量产制造 NVH
1 引言
NVH是新能源汽车行业衡量驱动电机设计和制造水平的重要指标，因此NVH性能不仅与电机的电磁、结构和控制设计相关，也与电机制造过程中的来料质量和装配工艺密切相关。很多论文做了驱动电机、电驱系统设计层面的NVH分析优化，但是从量产制造层面来研究驱动电机NVH性能分析优化的研究相对较少。
为了保证实际电机产品在大规模量产制造时的质量和工艺一致性，需要建立量产制造层面的电机NVH开发体系，本文采用六西格玛质量体系的DMAIC方法。六西格玛质量体系包含DFSS和DMAIC两种方法。DFSS即Design For Six Sigma 六西格玛设计，包含DOE（Design of Experiment 实验设计）等实用工具，主要应用于新产品的设计。
DMAIC方法即Define定义，Measure测量，
Analysis分析，Improve改进，Control控
制，这一套方法流程主要应用于对现有产品
的优化改进，如图1所示。DMAIC方法包含
MSA(Measuring System Analysis测量系统
分析)、 FTA（Fault Tree Analysis故障树
分析）、Correlation Analysis（相关性分析）
等实用工具。本文主要研究的是对现有量产
驱动电机制造层面的NVH性能做分析优化，
因此相对于DFSS方法，DMAIC方法更适合
应用于本研究。
2 基于六西格玛DMAIC的制造NVH
分析优化
2.1 项目定义
Define阶段需明确要解决的电机制造
NVH问题，一般将影响制造产线NVH合格
率较大的问题点定义为项目目标。此外，还
需要定义项目的背景、时间计划、预期经济
效益以及项目团队。由于NVH与电机定转
子、机壳等的来料和装配过程都密切相关，
因此NVH作为一个系统问题，需要成立一
个多专业方向、跨部门的项目组，一般由公
司领导层牵头，同时质量部门、工艺部门、
生产部门、技术部门的同事一起组织成立一
个六西格玛小组，并由六西格玛黑带大师负
Research on NVH Analysis and Optimization at the Manufacturing Level of Drive Motors for New Energy V ehicles
Zhu Kefei
Abstract： N VH (Noise Vibration Harshness) is an important indicator for the new energy automobile industry to measure the design level and manufacturing quality of drive motors. To analyze and optimize the NVH performance of the drive motor from the manufacturing process, and improve the manufacturing quality of mass-produced motor products, this article combines the six Sigma DMAIC quality system method and applies it to the actual mass production of automotive drive motor products. The manufacturing line is carried out. In the MSA (measurement system analysis) related to NVH, FTA (Fault Tree Analysis) is used to obtain the relevant variables that aff ect the NVH of the motor manufacturing, and the key factors aff ecting the manufacturing of NVH are obtained through the correlation analysis method and the best subset regression method, which adds the improvement points to the NVH control plan of the production line. This research is of great signifi cance for improving the manufacturing quality level of automotive drive motors, establishing an NVH development system for automotive drive motors manufacturing.
Key words：new energy vehicles, drive motors, mass production, NVH
图1 基于六西格玛DMAIC的制造
NVH分析优化流程
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责具体指导。
2.2 测量分析
Measure测量主要包含MSA(Measuring
System Analysis)测量系统分析和尺寸测量。在尺寸测量之前，首先需要保证测量系统测得的结果具有较好的一致性，并且可以准确地测量定转子同轴度、叠片高度、垂直度等尺寸，以及电机的振动、电流、转速等物理量。MSA主要是对测量系统的准确性和一致性做分析的。制造产线的测量系统包含了NVH EOL(End of Line)下线检测台架、转子动平衡测量仪、电机轴承压装力的测量传感器、电机结构尺寸的三坐标测量仪等。
为了保证出厂的电机产品NVH性能是合格的，不会出现振动噪音较大的情况，需要建立NVH EOL下线检测台架，对一段时间内的电机做NVH下线测试，进行时域上的幅值分析，频域上的频谱分析、阶次分
析，统计出振动的限值标准，并结合整车NVH测试的反馈，来设置NVH的出厂检测判定标准。基于此标准，对振动值较大的电机做拦截防止不合格品流出，同时对不合格品做故障诊断分析优化，并将改善点加入产线NVH控制计划来加以管控。由于实际生产线所处的环境并非安静的半消声室，产线的环境噪音对NVH EOL台架的声学测量结果干扰较大，因此产线上一般用振动代替声音来检测下线电机的NVH性能，并且需要对NVH EOL 测试台架做MSA分析。此外，从制造过程中来说，转子动平衡工艺是影响电机NVH的重要工艺，为了保证转子动平衡测量是准确的，需要做转子动平衡测量仪的MSA分析。一般用P/T值(即Precision/Tolerance，即精度/公差)来衡量测量系统的一致性，可以用公式表示为
NVH的MSA P/T=Precision/Tolerance =6*σ
ms
/公差 （1）
式（1）中的σ
ms
为NVH测量系统的标准差，公差为测量系统的公差。一般来说，NVH相关的P/T值不大于10%能保证较好的测量准确性和一致性，P/T值在10%到30%之间是属于有条件接受的范围，给出相关的合理分析即
可接受，超过30%一般不可接受。
车用电机的振动主要分为低频机械振动
和电磁力激发的高频电磁振动，当电机的机
械转速升高时，机械振动和电磁振动的频率
也随之升高。振动频率与振动阶次、电机机
械转速(rpm)之间关系为
振动频率(Hz)=振动阶次*电机机械转
速(rpm)/60 （2）
例如，当电机机械转速为6000rpm时，
机械转频为100 Hz，1阶振动为100Hz，
1阶振动一般代表的是与电机转子动平衡相
关的振动。对于新能源汽车行业驱动电机
常用的8极48槽永磁同步电机，主要的电
磁振动阶次为8阶、24阶、48阶和96阶。
为了使电机NVH EOL台架的测量系统具
有较好的一致性，本研究优化了台架减震
和接地方式、以及电机在台架上的安装方
式。优化后的NVH EOL台架测得的机械
和电磁阶次振动值MSA分析结果如表1所
示。
2.3 问题分析
在保证测量系统MSA一致性的基础
上，需要出影响电机NVH的相关尺寸，
再对这些尺寸进行测量。一般可以采用
FTA(Fault Tree Analysis)故障树分析工具
来获得影响NVH的相关尺寸。FTA分析依
据物理学公式，逐一层级地分解问题，从树
干（顶端事件）到树枝（中间事件），再到
树叶（基本特征），并对这些基本特征调查
分析，从而得到相关特征。上述NVH相关
振动计算公式为【1】
（2）
式（2）中的a为电机振动加速度，可
以直接由NVH EOL台架的振动加速度传
感器直接测量电机壳体表面的振动加速度
得到，并可通过傅里叶算法分解得到低频
机械阶次和高频电磁阶次的振动加速度。
F
为电机所受合力的幅值，k为电机的刚
度，c为电机的阻尼，其他参数不易受制程
影响，所以设定为常量。可见式（2）描述
的是电机振动加速度与电机所受合力、刚
度和阻尼之间的关系。一般在制造过程中，
电机所受合力、电机刚度和电机阻尼会受
制程、装配和来料的影响。根据此公式关
系可以得到故障树的第一层树干展开为图2
所示，类似地，下一层级故障树的树枝和
树叶可参考图2展开。
图2 制造NVH的FTA故障树的第一
层树干
电机所受的力主要包括电磁力和机械
力。与电磁力相关的因素有转子铁心外圆
的圆度、定转子的同轴度和垂直度等尺寸。
与机械力相关的因素有转子动平衡工艺、
电机轴承的合装工艺等。电机的刚度与定
子刚度、转子刚度和机壳端盖的结构刚度
等有关。电机的阻尼与绝缘浸渍漆的材料
属性、槽内挂漆量和分布等因素有关【2】。
电机的刚度阻尼可以利用西门子LMS
Test Lab NVH分析设备和软件，通过模
态实验测得。
针对要分析的目标问题，分别选取振动
相对较大的一组电机（至少3台），振动相
对较小的一组电机（至少3台），对FTA分
析得到的相关尺寸进行测量，记录第n个测
量数据为Xn。对于某些结构件具有较多尺寸
的情况，为了缩小分析规模并聚焦关键尺寸，
分类机械振动阶次电磁振动阶次
阶次1阶2阶3阶4阶8阶24阶48阶96阶
P/T(%)9.667.177.568.387.389.649.728.13
表1 NVH EOL台架测得电机阶次振动值的MSA分析
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本文采用相关性分析和显著性检验，出相关性较高的X并做取舍，其中相关性系数R 的计算公式如下：
（3）其中，X、Y分别为要做相关性分析的两个变量，R为相关系数，取值范围为-1～1，当R越接近1时为“正”相关性越强，R越接近-1时为“负”相关性越强，R越接近0时相关性越弱。对于某零件的各X因子（X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X15、X18、X19）进行相关性分析，并结合显著性检验P值（
即当P值小于0.05，代表两个变量之间存在统计学意义上的相关性，并非偶然因素导致的），可分析得到：X5和X6、X8、X9，X6和X8、X9，X8和X9，X19和X20的相关性较高，所以在后续分析中，保留X5和X19，不考虑X6、X8、X9和X20的影响，以便降低分析规模。
基于聚焦的关键变量，采用最佳子集回归法来分析关心的振动响应Z与各个变量X之间的回归拟合度或贡献度。通过分析可以得知：单个因子分析结果是X5的贡献量最大，与Z的拟合度为65.6，因此相关性分析得出与X5相关的X6、X8、X9的贡献也较大。从组合效果分析得知，X3、X5、X7组合的贡献也较大，与Z的拟合度为80.0。综上，X3、X5、X7是影响振动Z的重要组合，其中X5是关键变量，需要重点改善。
2.4 改善控制
Improve改善阶段，结合以上的产品尺寸对振动的贡献度分析、改善成本和性价比这三个方面，选择X5作为重点改善对象。针对X5尺寸超差的可能原因，从零部件来料和制造过程两大方面，按照制程顺序进行了详细的分析和排查：（1）项目组
的供应商来料质量成员实地考察分析供应
商的零件加工过程，（2）从供应商发出后
的运输环节，（3）零部件仓储环节，（4）
零部件上线环节，（5）电机定子热套过
程，（6）电机整机装配过程，（7）NVH
EOL检测过程是否存在误判风险，测量系
统的一致性如何（8）拆解分析过程是否存
在再损坏风险，（9）零部件尺寸测量是否
存在误判风险等。通过对上述问题点的逐
个分析，最终确定在供应商的零件加工过
程中出现的问题。
汽车电机项目组内的供应商来料质量成员将加工
过程中出现的问题反馈给供应商，双方经讨
论分析：在不影响生产节拍的情况下，得到
可行的改善措施并进行及时整改。将改善后
的来料（至少3件）进行测量，确认合格后，
装入振动较大的电机并替换出X5尺寸超差的
零件，经NVH EOL测量确认：振动较大的
问题得到了改善。
Control控制阶段，将X5同时列入供
应商端和本项目组的电机产线NVH控制计
划。来料质量成员加大对X5尺寸的抽样比
例，并进行至少一个月以上的监测，以便
重点管控。制造产线的NVH控制计划应
该包含：（1）需要重点控制的过程名称，（2）
相关设备、工装或夹具（3）相关零部件或
材料，（4）产品特性，（5）特殊特性分类，
（6）控制过程描述，（7）测量方法，（8）
取样的样本容量和频率，（9）控制方法，
（10）反应计划等。按照上述各个控制点，
制定了X5相关的产线NVH控制计划，并
通过一个月以上的监测，X5尺寸和相关的
电机振动较大问题都得到了有效的改善和
控制，电机NVH合格率达成并稳定在目
标值以上。
3 结论
通过六西格玛DMAIC方法结合制造
NVH的实施，进行了制造产线NVH的MSA
测量系统分析和FTA故障树分析。通过对尺
寸的相关性分析，缩小了分析规模并聚焦关
键尺寸。利用最佳子集回归法，分析了影响
电机NVH问题的关键变量，优化并将改善点
加入了产线NVH控制计划。本研究对于提升
驱动电机的量产制造质量水平及建立量产制
造层面的车用电机NVH开发体系具有重要的
意义。
本文获得上海市浦江人才计划的资助
(NO.17PJ1433900)。
本文获得中山大洋电机股份有限公司科
研工作站的资助。
参考文献：
[1]Singresu S. Rao机械振动（第5版）清华大
学出版社 2016.
[2]贡俊 电动汽车工程手册 第5卷 驱动电机
与电力电子卷 机械工业出版社 2019.
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