刘小华，莫崇卫，蒋 帅，黄 伟，廖金深

（湖南猎豹汽车股份有限公司，长沙410100）

随着国家对排放和新能源积分的要求，以及国家补贴政策的引导，纯电动汽车成为当前汽车领域研究的热点。其与传统燃油车最主要的差异是动力系统由三电（电池、电机和电控）系统替代发动机燃油系统，使得整车NVH问题的研究对象和研究方法都发生较大变化。电动汽车驱动电机和减速器等动力系统的振动和噪声问题也成为当下研究的热点。

对于减速器的振动噪声问题分析与优化方法已日趋成熟，徐忠四[1]、温国庆[2]、Yu P[3]等通过齿面修形法、传递路径结构优化等方法，大大改善了车内减速器的啸叫噪声。而驱动电机的振动噪声问题研究侧重于传递路径的优化，张守元[4]、车勇[5]、Cogswell J A[6]等通过对车辆的悬置结构、声学包等方面优化，来改善整车噪声，但未从根本上改善驱动电机的振动与噪声。

整车NVH问题一般从源-路径-响应3个方面进行综合分析，基于路径响应的NVH 性能管控，主要是对车身相关模态、动静刚度、传递函数等指标的控制，但这会带来因车身钣金模具变更带来的费用增加和周期延长的风险。本文从激励源入手来进行问题剖析和整改。针对某国产小型纯电动汽车在40 km/h～80 km/h全加速工况下车内噪声较大问题，以驱动电机为主要研究对象，通过其噪声的构成分析和电机机理分析，提出了有效的电机壳体结构优化方案和电机控制策略优化方案，并采用零部件台架试验和整车台架试验进行逐级验证，有效降低了驱动电机本体的噪声，大大改善了整车的NVH表现。

1 整车噪声测试及噪声源分析

在整车NVH性能主观评价试验中，全加速工况下40 km/h～80 km/h速度区间驾驶员内耳处存在明显的啸叫噪声，初步判定为驱动电机啸叫。为了获得准确的噪声数据，根据整车NVH道路试验规范开展试验，使用LMS公司的测试设备进行整车噪声客观测试，麦克风测点的布置位置如下图1所示。

图1 整车状态测点布置位置图

分别为主驾内耳测点和驱动电机近场测点。同时，通过整车CAN总线信号读取电机的转速信号和车速信息。样车在全加速工况下，2个测点的噪声声压曲线和瀑布图结果见图2和图3。

图2随着电机转速增加，驾驶员内耳与电机近场噪声同步上升，且两测点噪声值总体变化趋势基本一致，电机近场噪声声压级比驾驶员内耳处平均高30 dB(A)左右。图3(a)、图3(b)中噪声瀑布图特征可知，在电机转速1 000 r/min～6 000 r/min（车速14.3 km/h～85.7 km/h）范围内，驾驶员内耳噪声和电机近场噪声主要表现为48阶，人耳对该高频段的噪声非常敏感，会严重影响使用者的驾乘体验。

图2 主驾内耳与驱动电机近场测点声压曲线图

因此，综合对比整车和电机的噪声声压曲线趋势、以及两者的噪声瀑布图特征，确定整车WOT 工况下驾驶员内耳噪声主要由驱动电机引起。

2 驱动电机的噪声机理分析与台架测试

2.1 驱动电机噪声机理分析

本文小型纯电动汽车搭载的永磁同步电机，该类型电机具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度及低速大扭矩等优点。电机的基本参数如表1所示。

对于永磁同步电机，电机的振动噪声主要是由定转子谐波磁场相互作用引起[7]，定子磁场力波次数μi和转子磁场力波次数λj分别为

式中：P为极对数，本文为4，m、n为系数。

定子和转子谐波磁场相互作用产生的径向力波次数r为

从式（1）和式（2）中可知定子会产生5 次和7 次等谐波磁场，转子会产生3 次、5 次和7 次等谐波磁场，式（3）中可知定转子相互产生的电机径向力波次数等于0或2P的整数倍，电机气隙基波阶数为0、8、16、24…。

图3 测点噪声瀑布图

表1 电机的基本参数

此外，本文永磁同步电机因采用常规的PWM逆变器进行驱动控制，会导致电机产生一个正弦电流波形的缺陷，电机电流波形中会产生开关频率附近的高频电流谐波[8]。由逆变器输出的正弦波经过傅里叶级数分解得到一系列谐波fc±kfr，式中系数k=2,4,6,…，fc为开关频率，fr为调制波频率。因此，电机会产生基于开关频率的谐波频率噪声。

综上所述，该驱动电机的噪声主要由定转子谐波磁场和PWM逆变器正弦波电流引起。

2.2 驱动电机零部件台架测试与分析

为进一步分析电机本体的噪声组成，本文基于电机台架试验采集详细的电机噪声和振动数据。根据零部件台架试验规范，麦克风布置在电机正上方（UP测点）和后端盖后方测点（REAR测点），振动传感器布置在电机壳体侧边正中间，测点布置如图4所示。

通过台架试验模拟整车全加速工况，获得电机在测点位置的噪声测试结果见图5。

由图5中电机台架试验近场噪声瀑布图可知，图中有明显的基于8 阶倍数的高亮斜线，在24 阶和48 阶噪声处高亮斜线最明显，同时在8 000 Hz 处出现明显的烟花状高亮线条。结合电机噪声机理分析，基于8 阶倍数的高亮斜线为由气隙基波磁场引起的2P阶次噪声；烟花状高亮线条为电机开关频率所激发的谐波频率噪声。其中，第24阶和48阶噪声为主要噪声源，作为重点分析对象，提取相应阶次声压级结果见图6。

图4 台架试验测点布置图

图5 电机台架试验近场噪声瀑布图

对比两测点噪声声压级，电机在1 000 r/min～7 000 r/min 转速范围内声压级大小有：总噪声＞48阶噪声＞24阶噪声。因此，电机噪声主要由48阶噪声贡献，其次为24阶噪声。

综上所述，该电机噪声主要由两部分构成：结构引起的48阶噪声和开关频率引起的谐波频率噪声。

3 驱动电机的优化方案与验证

3.1 驱动电机结构优化

3.1.1 结构优化方案

对电机阶次噪声而言，激励源是定子和转子间谐波磁场相互作用。为分析噪声的产生与传递过程，对电机内部结构进行分析，该电机内部结构示意如图7所示，其噪声产生与传递过程如图8所示。

图6 电机台架试验噪声曲线

图7 电机内部结构示意图

图8 电机噪声传递路径

图7和图8中电机噪声传递路径，可知电机壳体是电机噪声传递的关键路径。综合成本与可行性因素，本文从电机壳体结构入手，降低电机的振动和噪声。

为提高电机壳体的减振降噪性能，通过提升电机壳体刚度或模态，减小阶次噪声引起的壳体振幅，从而降低噪声。电机壳体的原始方案如图9左所示，运用HyperWorks软件搭建电机壳体有限元模型并进行模态分析[9]，其1 阶模态为1 090.5 Hz。通过工艺及制造可行性分析，电机壳体优化前后方案对比如图9和表2所示。优化前后模态对比结果如下表3所示。

图9 电机壳体原始方案与优化方案

表2 电机壳体优化方案参数对比表/mm

从表3中可见，电机壳体优化方案对其前7～12阶模态频率均有明显提升，模态频率比原方案提高了193.4 Hz～666.4 Hz，提升率13.2 %以上，且壳体内壁壁厚的增加对降低电机辐射噪声的传递具有较好的效果。

3.1.2 驱动电机单体试验验证

为验证电机优化方案与原方案的噪声效果，开展电机单体台架试验，对比优化前后电机的噪声和振动数据如图10、图11所示。

对比两测点噪声声压级结果，优化方案较原始方案噪声总体下降2 dB(A)～8 dB(A)，得到较明显的改善。在图11中，电机壳体的X向振动加速度在结构优化后下降明显，在转速2 600 r/min 左右其加速度峰值由7.30 g 降至2.01 g，Y向和Z向振动加速度也均有下降。因此，该结构优化方案能有效改善电机的振动噪声。

表3 电机壳体模态仿真结果对比

图10 优化前后电机噪声总声压级对比

图11 优化前后电机壳体振动结果对比

3.2 驱动电机控制策略优化及验证

永磁同步电机采用固定开关频率PWM 调制时，电机会产生高频谐波噪声。为抑制开关频率处的高频谐波电流，工程应用通常采用提高PWM 开关频率或随机扩频调制策略。提高PWM 开关频率可以使高频谐波噪声平移至更高的频率，一定程度抑制了高频噪声，但又会带来一系列问题，如功率器件应力的增大、器件损耗的增加、电气隔离失效以及电磁干扰等问题[10]。而随机扩频调制策略是通过改变载波频率，将系统集中的谐波扩展到更宽的频带范围内，从而降低谐波峰值，改善高频谐波噪声。

综合上述分析，提出电机控制策略的优化方案：修改固定开关频率（8 kHz）为随机PWM 频率，正弦波周期频率调制比γ=1，扩频宽度为1 kHz。开展电机的零部件台架试验，测试结果如图12所示。

图12中原始方案在8 000 Hz 和16 000 Hz 处出现明显的烟花状高频谐波频率噪声，而优化方案中高频谐波频率噪声被打散，噪声的频率更加分散。所以基于开关频率调整的优化方案合理有效。

图12 电机控制策略优化前后方案噪声瀑布图

4 整车综合优化验证

驱动电机优化后搭载整车进行道路试验。在全油门工况下，对比电机优化前后在不同转速下驾驶员内耳噪声总声压曲线和48 阶声压级曲线如下图13（a）所示。通过图形可以看出，驾驶员内耳噪声得到明显改善，总声压级比改进前降低了2 dB(A)～5 dB(A)，48阶声压级下降了约30%。图13（b）驾驶员内耳噪声瀑布图在48阶噪声处无明显高亮斜线，阶次噪声得到明显改善。

5 结语

本文以纯电动汽车为研究对象，针对加速噪声过大问题，通过对其主要噪声源—驱动电机的优化设计，并严格按照零部件台架试验和整车试验逐级验证，得到以下结论：

（1）通过测试的声压图和瀑布图综合分析，同时结合永磁同步电机噪声生成的机理分析，确认电机噪声主要由阶次噪声和高频谐波频率噪声构成。

（2）针对不同的噪声产生机理，提出了电机壳体结构仿真优化和电机控制策略优化方案。利用有限元模态仿真将电机壳体的1阶模态由1 090 Hz提升至1 408 Hz，修改固定开关频率（8 kHz）为随机PWM 频率。通过改进方案前后整车噪声的测试数据对比，结果表明电机48 阶噪声声压级下降约30%，车内噪声声压级降低了2 dB(A)～5 dB(A)，全加速工况下，整车无明显的电机啸叫噪声，大大提升了车内声品质。

图13 整车噪声对比结果

（3）本文从整车噪声源入手，通过对电机结构和控制策略的优化，并利用试验验证充分论证了方法的合理有效性，对电动汽车电机啸叫问题的正向开发及电机的零部件单体指标控制都有较大的参考借鉴意义。