前言

在該系列的上篇中我們講述了單電機(jī)本體產(chǎn)生振動(dòng)噪音的機(jī)理。這一講我們拓寬視野,，將電機(jī)放置在系統(tǒng)中去理解問(wèn)題,。 去思考在總成和車(chē)輛系統(tǒng)下電機(jī)發(fā)生NVH問(wèn)題的機(jī)理。

切題：電機(jī)是如何影響NVH舒適性

電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音往往通過(guò)兩個(gè)途徑影響舒適性,。一個(gè)是通過(guò)空氣噪音輻射,，就是上一講中我們論述的電機(jī)機(jī)殼、端蓋的振動(dòng)通過(guò)空氣聲壓傳遞到人耳中,，通過(guò)這種途徑的噪音頻率往往較高,。另外一種方式則是通過(guò)減速器、安裝支架等結(jié)構(gòu)將振動(dòng)傳遞給車(chē)體,，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)叫“Structue Borne”,這是中低頻振動(dòng)或抖動(dòng)問(wèn)題的主要傳遞路徑,。

電機(jī)的振動(dòng)通過(guò)結(jié)構(gòu)的傳遞路徑也可細(xì)分為兩類(lèi)：如下圖所示：路徑2是通過(guò)定子系統(tǒng)-懸置-車(chē)架達(dá)到車(chē)身。因?yàn)樯婕暗降倪\(yùn)動(dòng)體較少,，主要是懸置設(shè)計(jì)的問(wèn)題,，相對(duì)簡(jiǎn)單。路徑1是通過(guò)減速器-差速器-半橋,，這里面涉及到的軸系和振動(dòng)源較多是,，電機(jī)相關(guān)NVH問(wèn)題高發(fā)的區(qū)域，相對(duì)也比較復(fù)雜,，值得我們仔細(xì)研究。

 通過(guò)軸系傳遞的振動(dòng)有明顯的階次特征,，如下圖所示電在某一車(chē)型中,，通過(guò)電機(jī)側(cè)測(cè)得的角加速度頻率和車(chē)內(nèi)測(cè)得的振動(dòng)加速度是同階的。也就意味著能量從電機(jī)轉(zhuǎn)子傳遞到了車(chē)內(nèi),，因?yàn)閭鬟f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(wèn)題也大多和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)相關(guān)。因此從電機(jī)到傳動(dòng)鏈過(guò)程中產(chǎn)生的NVH問(wèn)題,，也叫扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問(wèn)題,。

扭振會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題除了影響舒適度，還會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)激勵(lì)過(guò)大使得軸承壽命下降,，甚至還會(huì)使得軸系轉(zhuǎn)速劇烈波動(dòng),，引發(fā)操作失穩(wěn)問(wèn)題。因此和電機(jī)相關(guān)的扭振問(wèn)題是NVH治理的核心關(guān)注點(diǎn),。而要解決或者抑制扭振問(wèn)題,，先得從理解扭振問(wèn)題的機(jī)理出發(fā)。

 扭振振動(dòng)的四種機(jī)理

和電機(jī)相關(guān)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的機(jī)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(qiáng)迫振動(dòng)問(wèn)題、加減速引起的顫振,、扭轉(zhuǎn)共振問(wèn)題,、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的齒輪嘯叫問(wèn)題。我們一一道來(lái)：

• 諧波轉(zhuǎn)矩引起的強(qiáng)迫振動(dòng)問(wèn)題

這個(gè)問(wèn)題很容易理解,，理想電機(jī)軸系旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩是只有一階,，而工程中由于各種機(jī)械、電氣誤差不可避免的會(huì)產(chǎn)生更多階次的轉(zhuǎn)矩成分,，這些階次的轉(zhuǎn)矩會(huì)產(chǎn)生額外的振動(dòng)階次,，在一些特別的場(chǎng)合諧波轉(zhuǎn)矩還會(huì)使得齒輪嘯叫，降低舒適感,。常見(jiàn)的和電機(jī)相關(guān)的機(jī)械激勵(lì)：有動(dòng)不平衡（為了降低動(dòng)平衡很多企業(yè)采用的國(guó)外的設(shè)備）,、不對(duì)中不同軸、軸承的剛度變化,。

和電機(jī)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(cè)偏差導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

• 扭轉(zhuǎn)共振引起的問(wèn)題

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(shí)發(fā)生的共振問(wèn)題,。軸系的扭轉(zhuǎn)模態(tài)和電機(jī)轉(zhuǎn)子,、齒輪、半軸的剛度,、慣量都相關(guān),。下圖是一個(gè)典型的軸系的扭振模態(tài)頻率分布：

理解扭轉(zhuǎn)共振問(wèn)題先從leaf2013的案例說(shuō)起： Leaf從2011切換到2013版本時(shí)，發(fā)現(xiàn)了 在PDM電源模塊上產(chǎn)生了一個(gè)在1.7kHZ 的特別噪音,。Nissan工程師們發(fā)現(xiàn),，1,7kHZ的噪音電機(jī)本身是沒(méi)有的，但一旦集成之后就會(huì)在電源模塊上產(chǎn)生。這是什么原因呢,？

通過(guò)進(jìn)一步分析,，這電機(jī)和減速器軸系相連接時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種扭轉(zhuǎn)組合振型。其固有頻率為1.7kHZ,，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速提升,，很快產(chǎn)生了共振。為了解決這個(gè)問(wèn)題,，采取了提升共振頻率的做法,，將轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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（tip in tip out/surge）

電動(dòng)車(chē)電驅(qū)動(dòng)總成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，沒(méi)有離合器、扭轉(zhuǎn)減振器等衰減傳動(dòng)系統(tǒng)扭振的零部件,， 且電機(jī)轉(zhuǎn)矩大,， 特別是轉(zhuǎn)矩在整車(chē)啟動(dòng)或者突然加減速工況下容易產(chǎn)生震顫。這種振動(dòng)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)叫tip in tip out或者Surge ,。 豐田稱(chēng)之為Surge,，我們也采用這種叫法。

 Surge發(fā)生時(shí)現(xiàn)象很復(fù)雜但機(jī)理其實(shí)很簡(jiǎn)單,，電機(jī)的傳動(dòng)軸系可以理解成一個(gè)彈性-慣量-阻尼系統(tǒng),，這是一個(gè)二階儲(chǔ)能系統(tǒng)，具備動(dòng)能和勢(shì)能,。當(dāng)突然加速和突然減速時(shí),，電機(jī)的扭矩變化很大，相當(dāng)于給系統(tǒng)一個(gè)階躍激勵(lì),，因此不可避免的會(huì)產(chǎn)生能量振蕩,，當(dāng)過(guò)大振蕩傳遞到車(chē)廂內(nèi)時(shí)，乘客能夠感受到縱向的抖動(dòng),。

當(dāng) Surge發(fā)生時(shí)有一些明顯的特征,。其中一個(gè)是電機(jī)的角加速度-轉(zhuǎn)速-和車(chē)內(nèi)的振動(dòng)是高度相關(guān)的。在時(shí)間上表現(xiàn)出同時(shí)發(fā)生（如下圖所示）,，在階次上表現(xiàn)出同階,。

如何解決surge問(wèn)題，方向有很多,?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整電機(jī)的速度環(huán)、電流環(huán)參數(shù)可以使問(wèn)題緩解,，也可以控制油門(mén)開(kāi)度減弱轉(zhuǎn)矩階躍強(qiáng)度,，但都不能徹底解決問(wèn)題,。

豐田在THSII中采用了電機(jī)角加速度閉環(huán)的方式,，較好的解決了這個(gè)問(wèn)題,。其原理很簡(jiǎn)單，如下圖所示：增加了一個(gè)角加速度閉環(huán)后,，能夠控制在轉(zhuǎn)矩突變時(shí)通過(guò)主動(dòng)調(diào)整扭矩,，控制角加速度變化值。這樣做能夠降低車(chē)內(nèi)抖動(dòng)的原理是認(rèn)為：“ 電機(jī)的角加速和車(chē)內(nèi)抖動(dòng)是高度相關(guān)的”,。如下圖所示,，通過(guò)角加速閉環(huán)使得車(chē)內(nèi)振動(dòng)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(guò)主動(dòng)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(dòng)水平,。

• 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的齒輪敲擊問(wèn)題

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大時(shí)，會(huì)使得齒輪副直接的嚙合不均勻,，而兩個(gè)齒之間存在嚙合間隙,。波動(dòng)的轉(zhuǎn)矩使得齒在間隙中來(lái)回拍擊，形成敲擊聲,，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)叫（gear rattle）,。

下面這個(gè)例子能夠幫助我們理解gear rattle和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的相關(guān)性。某車(chē)型在全油門(mén)加速工況下,，在350rpm時(shí)出現(xiàn)轟鳴并伴隨敲擊聲,。在車(chē)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(wèn)題,，有三個(gè)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(jī)花鍵連接處附近振動(dòng)最大,；

• 能夠聽(tīng)到敲擊聲-這是明顯的齒輪噪音標(biāo)志,；

那接下來(lái)的問(wèn)題是如何判定是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的？ 從總線(xiàn)上提取的轉(zhuǎn)矩信號(hào)顯示在敲擊發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)矩有±6Nm的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),。更有利的證據(jù)來(lái)源于改進(jìn)后的對(duì)比驗(yàn)證,，通過(guò)技術(shù)手段優(yōu)化了該電機(jī)的設(shè)計(jì)和改善電流采樣精度之后，伴隨該異常轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)消失,，該處的齒輪敲擊現(xiàn)象也消失了,。

總結(jié)

電機(jī)的NVH問(wèn)題異常復(fù)雜，有定子側(cè)的問(wèn)題,，也有轉(zhuǎn)子側(cè)的問(wèn)題,。而轉(zhuǎn)子側(cè)的問(wèn)題更和總成,、車(chē)輛的軸系設(shè)計(jì)相關(guān)。這使得問(wèn)題變得特別復(fù)雜,，作為電機(jī)設(shè)計(jì)者,，我們需用吸收傳統(tǒng)汽車(chē)NVH的一些概念如surge、rattle等,，再結(jié)合電機(jī)本身的一些轉(zhuǎn)矩特征去理解問(wèn)題,。最后發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)動(dòng)力學(xué)+電磁+控制的耦合問(wèn)題，而電機(jī)剛好處于這個(gè)耦合的關(guān)鍵環(huán)節(jié),，在理解NVH的機(jī)理的基礎(chǔ)上,，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)從電機(jī)激振力優(yōu)化設(shè)計(jì)出發(fā)會(huì)事半功倍。

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