Page 31 - 《应用声学》2019年第6期

第 38 卷 第 6 期 邓清鹏等： 基于电磁力近似算法的驱动电机 NVH 快速仿真方法
0 引言
与传统燃油汽车相比，纯电动汽车由于没有了
内燃机噪声的贡献，车内噪声总声压级下降了，但也
出现了新的 NVH 挑战。由于没有内燃机噪声的掩
蔽效应，其他噪声得以凸显出来，如驱动电机的电
磁噪声，减速器齿轮啮合噪声，路噪，风噪，空调系
统、电池热管理系统噪声等。其中驱动电机引发的
电磁噪声是电动汽车NVH 关注的重难点问题之一，
往往表现为高频的阶次啸叫。在背景噪声不大的电
动汽车内，电磁啸叫噪声往往会给车内人员带来极
差的驾乘体验。为了防止产生过高的电磁啸叫噪
声，研发人员在电驱动系统的设计阶段就应该全面
分析潜在 NVH 风险，规避可能产生的啸叫问题，以
提前调整和优化设计方案，避免后期整改带来的高
额成本。这就要求研发人员在设计阶段对电机电磁
方案、电驱系统结构特征、系统集成策略进行 NVH
方面的细致考量，同时也应该对电驱动系统进行全
转速段振动噪声仿真，以预测和评估电驱动系统的
NVH表现。
电机电磁噪声是由电磁力激励电机结构振动
产生的。电机运转时，定转子磁场在电机定子铁心
齿上引起随周向位置和时间变化的电磁力，引发电
机定子外壳振动，外壳的法向振动就会向周围空气
辐射噪声 [1] 。因此电机电磁噪声仿真至少应当包含
3 个环节的内容，即电磁场仿真、结构振动仿真及辐
射声场仿真。电磁场仿真的目的是获得电机定子齿
上的交变电磁力，即引发振动噪声的激励力，有限单
元法是进行电磁力仿真的最常用手段
磁激励力之后，将其施加到电机定子及壳体结构上
进行结构振动有限元仿真，以获取电机外壳表面法
向振动速度。结构振动仿真的难点在于结构有限元
的准确建模。一方面电机定子铁心及绕组材料具有
各向异性，材料本构关系难以准确定义，另一方面电
机零组件材料参数及连接关系具有很强的不确定
性，导致电机结构有限元模型很难一次建准。因此
通常需要对电机零组件进行试验模态分析，以试验
获得的模态参数验证和校准结构模型
的辐射声场仿真通常可以基于有限元或者边界元
方法进行 [5,10] ，将结构振动仿真得到的表面振动速
度作为辐射声场的边界条件施加到模型之中。
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电动车用驱动电机的工作转速范围很宽，若
要评估其全转速段 NVH 表现，往往需要进行多个
转速工况的 NVH 仿真。以目前乘用车上使用较
多的永磁同步电机为例，其工作转速通常在 0∼
12000 r/min 范围变化。若要分析电机总声压或阶
次噪声在全转速段的变化情况，则需要进行一百多
到几百个转速工况的仿真才能获得令人满意的转
速分辨率，这必将耗费大量计算资源和时间。本文
结合电磁场、结构振动及声场有限元分析，采用电
机电磁力的时间缩放及插值近似算法，实现了车用
驱动电机的电磁振动及噪声的快速仿真。该方法只
需进行少量转速工况的电磁力仿真，其他大多数转
速工况的电磁力可以通过近似算法快速获取，大大
节省了仿真时间和计算资源，提高了仿真效率。全
文内容安排如下：第 1 节详细介绍了电磁力仿真及
近似算法，包括近似计算精度分析；第2节介绍了电
机结构振动建模及仿真方法、电磁力的映射算法等
内容；第 3 节就NVH快速仿真的精度及效率进行讨
论；全文工作的结论在第4节给出。
1 电磁力仿真及近似算法
1.1 电磁场有限元仿真
在进行电机气隙电磁力的仿真计算之前，首先
需要确定电机运行的转速与转矩。汽车行驶过程
中，驱动电机的转矩、转速及二者之间的关系受到
控制标定策略、油门开度及电机外特性的影响。电
机外特性是指电机在不同转速下的峰值转矩输出
特性，外特性曲线可分为恒转矩区和恒功率区两部
[2−5] 。获得电 分。其恒转矩区主要表征车辆的起步加速性能、爬
坡性能，而恒功率区主要表征车辆的超车性能及允
许最高车速。若以全油门对电动汽车进行加速，在
低车速段驱动电机以其最大扭矩对外做功，而在高
转速段则以其最大功率对外做功。这种加速方式能
够激发出驱动电机最强的啸叫阶次噪声，因此在工
程中常被用作驱动电机 NVH 性能评价的关键目标
工况。全油门加速时，驱动电机的转矩与转速之间
的关系可由电机的满载外特性曲线近似表示。
[6−10] 。电机 本文以某纯电动乘用车永磁同步驱动电机为
研究对象，电机极对数为 p = 4，定子槽数为 z = 48
槽。该电机的外特性曲线如图1所示，其恒转矩区终
止转速 (即恒功率区起始转速) 为 n = 3000 r/min，