驅(qū)動電機NVH問題治理的原理·過程·方法（中）

驅(qū)動電機NVH問題治理的原理·過程·方法（中）前言在該系列的上篇中我們講述了單電機本體產(chǎn)生振動噪音的機理。這一講我們拓寬視野，將電機放置在系統(tǒng)中去理解問題。去思考在總成和車輛系統(tǒng)下電機發(fā)生NVH問題的機理。切題：電機是如何影響NVH舒適性電機產(chǎn)生的振動和噪音往往通過兩個途徑影響舒適性。一個是通過空氣噪音輻射，就是上一講中我們論述的電機機殼、端蓋的振動通過空氣聲壓傳遞到人耳中，通過這種途徑的噪音頻率往往較高。另外一種方式則是通過減速器、安裝支架等結(jié)構(gòu)將振動傳遞給車體，專業(yè)術(shù)語叫“StructueBorne”,這是中低頻振動或抖動問題的主要傳遞路徑。電機的振動通過結(jié)構(gòu)的傳遞路徑也可細分為兩類：如下圖所示：路徑2是通過定子系統(tǒng)-懸置-車架達到車身。因為涉及到的運動體較少，主要是懸置設(shè)計的問題，相對簡單。路徑1是通過減速器-差速器-半橋，這里面涉及到的軸系和振動源較多是，電機相關(guān)NVH問題高發(fā)的區(qū)域，相對也比較復(fù)雜，值得我們仔細研究。通過軸系傳遞的振動有明顯的階次特征，如下圖所示電在某一車型中，通過電機側(cè)測得的角加速度頻率和車內(nèi)測得的振動加速度是同階的。也就意味著能量從電機轉(zhuǎn)子傳遞到了車內(nèi)，因為傳遞路徑是轉(zhuǎn)子軸系，也就意味著傳遞的主要能量扭轉(zhuǎn)能量，所產(chǎn)生的問題也大多和扭轉(zhuǎn)振動相關(guān)。因此從電機到傳動鏈過程中產(chǎn)生的NVH問題，也叫扭轉(zhuǎn)振動問題。扭振會帶來一系列問題除了影響舒適度，還會因為旋轉(zhuǎn)激勵過大使得軸承壽命下降，甚至還會使得軸系轉(zhuǎn)速劇烈波動，引發(fā)操作失穩(wěn)問題。因此和電機相關(guān)的扭振問題是NVH治理的核心關(guān)注點。而要解決或者抑制扭振問題，先得從理解扭振問題的機理出發(fā)。扭振振動的四種機理和電機相關(guān)的扭轉(zhuǎn)振動的機理有很多，比較重要的有如下四種。分別是諧波轉(zhuǎn)矩引起的強迫振動問題、加減速引起的顫振、扭轉(zhuǎn)共振問題、轉(zhuǎn)矩脈動引起的齒輪嘯叫問題。我們一一道來：諧波轉(zhuǎn)矩引起的強迫振動問題這個問題很容易理解，理想電機軸系旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩是只有一階，而工程中由于各種機械、電氣誤差不可避免的會產(chǎn)生更多階次的轉(zhuǎn)矩成分，這些階次的轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生額外的振動階次，在一些特別的場合諧波轉(zhuǎn)矩還會使得齒輪嘯叫，降低舒適感。常見的和電機相關(guān)的機械激勵：有動不平衡（為了降低動平衡很多企業(yè)采用的國外的設(shè)備）、不對中不同軸、軸承的剛度變化。和電機電磁因素、控制因素相關(guān)的諧波轉(zhuǎn)矩如下圖所示：其中主要的成分是紋波轉(zhuǎn)矩和因電流檢測偏差導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動。扭轉(zhuǎn)共振引起的問題扭轉(zhuǎn)振動顧名思義就是指扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的頻率和軸系系統(tǒng)的模態(tài)重疊時發(fā)生的共振問題。軸系的扭轉(zhuǎn)模態(tài)和電機轉(zhuǎn)子、齒輪、半軸的剛度、慣量都相關(guān)。下圖是一個典型的軸系的扭振模態(tài)頻率分布：理解扭轉(zhuǎn)共振問題先從leaf2013的案例說起：

Leaf從2011切換到2013版本時，發(fā)現(xiàn)了在PDM電源模塊上產(chǎn)生了一個在1.7kHZ的特別噪音。Nissan工程師們發(fā)現(xiàn)，1,7kHZ的噪音電機本身是沒有的，但一旦集成之后就會在電源模塊上產(chǎn)生。這是什么原因呢？通過進一步分析，這電機和減速器軸系相連接時會產(chǎn)生一種扭轉(zhuǎn)組合振型。其固有頻率為1.7kHZ，隨著電機轉(zhuǎn)速提升，很快產(chǎn)生了共振。為了解決這個問題，采取了提升共振頻率的做法，將轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)振動固有頻率從1.7kHZ轉(zhuǎn)移到2.2kHZ,頻率的提高降低了響應(yīng)幅值，該頻段噪音得以緩解。突然加減速引起的扭振（tipin

tipout/surge）電動車電驅(qū)動總成結(jié)構(gòu)簡單，沒有離合器、扭轉(zhuǎn)減振器等衰減傳動系統(tǒng)扭振的零部件，且電機轉(zhuǎn)矩大，特別是轉(zhuǎn)矩在整車啟動或者突然加減速工況下容易產(chǎn)生震顫。這種振動專業(yè)術(shù)語叫tipin

tipout或者Surge。

豐田稱之為Surge，我們也采用這種叫法。Surge發(fā)生時現(xiàn)象很復(fù)雜但機理其實很簡單，電機的傳動軸系可以理解成一個彈性-慣量-阻尼系統(tǒng)，這是一個二階儲能系統(tǒng)，具備動能和勢能。當(dāng)突然加速和突然減速時，電機的扭矩變化很大，相當(dāng)于給系統(tǒng)一個階躍激勵，因此不可避免的會產(chǎn)生能量振蕩，當(dāng)過大振蕩傳遞到車廂內(nèi)時，乘客能夠感受到縱向的抖動。當(dāng)

Surge發(fā)生時有一些明顯的特征。其中一個是電機的角加速度-轉(zhuǎn)速-和車內(nèi)的振動是高度相關(guān)的。在時間上表現(xiàn)出同時發(fā)生（如下圖所示），在階次上表現(xiàn)出同階。如何解決surge問題，方向有很多。可以通過調(diào)整電機的速度環(huán)、電流環(huán)參數(shù)可以使問題緩解，也可以控制油門開度減弱轉(zhuǎn)矩階躍強度，但都不能徹底解決問題。豐田在THSII中采用了電機角加速度閉環(huán)的方式，較好的解決了這個問題。其原理很簡單，如下圖所示：增加了一個角加速度閉環(huán)后，能夠控制在轉(zhuǎn)矩突變時通過主動調(diào)整扭矩，控制角加速度變化值。這樣做能夠降低車內(nèi)抖動的原理是認為：“電機的角加速和車內(nèi)抖動是高度相關(guān)的”。如下圖所示，通過角加速閉環(huán)使得車內(nèi)振動加速度減小，而轉(zhuǎn)矩不再光滑，而是增加了許多轉(zhuǎn)矩紋波。也就意味著通過主動注入轉(zhuǎn)矩諧波，使得轉(zhuǎn)矩輸入能量和軸系振蕩能量相抵消，從而降低整體能量波動水平。轉(zhuǎn)矩脈動引起的齒輪敲擊問題電機的轉(zhuǎn)矩脈動較大時，會使得齒輪副直接的嚙合不均勻，而兩個齒之間存在嚙合間隙。波動的轉(zhuǎn)矩使得齒在間隙中來回拍擊，形成敲擊聲，專業(yè)術(shù)語叫（gearrattle）。下面這個例子能夠幫助我們理解gearrattle和轉(zhuǎn)矩脈動的相關(guān)性。某車型在全油門加速工況下，在350rpm時出現(xiàn)轟鳴并伴隨敲擊聲。在車內(nèi)噪音的瀑布圖分析中可以發(fā)現(xiàn)其噪音階次是19階，剛好是輸入側(cè)齒輪的階次。如何判斷是齒輪敲擊而不是扭轉(zhuǎn)共振或其它問題，有三個特征證據(jù)：軸系扭振的共振頻率為347HZ>120HZ-排除共振；在1階齒輪和電機花鍵連接處附近振動最大；能夠聽到敲擊聲-這是明顯的齒輪噪音標(biāo)志；那接下來的問題是如何判定是轉(zhuǎn)矩脈動引起的？從總線上提取的轉(zhuǎn)矩信號顯示在敲擊發(fā)生時轉(zhuǎn)矩有±6Nm的轉(zhuǎn)矩脈動。更有利的證據(jù)來源于改進后的對比驗證，通過技術(shù)手段優(yōu)化了該電機的設(shè)計和改善電流采樣精度之后，伴隨該異常轉(zhuǎn)矩脈動消失，該處的齒輪敲擊現(xiàn)象也消失了?？偨Y(jié)電機的NVH問題異常復(fù)雜，有定子側(cè)的問題，也有轉(zhuǎn)子側(cè)的問題。而轉(zhuǎn)子側(cè)的問題更和總成、車輛的軸系設(shè)計相關(guān)。這使得問題變得特別復(fù)雜，作為電機設(shè)計者，我們需用吸收傳統(tǒng)汽車NVH的一些概念如surge、rattle等，再結(jié)合電機本身的一些轉(zhuǎn)矩特征去理解問題。最后發(fā)現(xiàn)這是一個動力學(xué)+電磁+控制的耦合問題，而電機剛好處于這個耦合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在理解NVH的機理的基礎(chǔ)上，我們會發(fā)現(xiàn)從電機激振力優(yōu)化設(shè)計出發(fā)會事半功倍。最后容我作個廣告，伏特動力是我創(chuàng)立的一家電機設(shè)