新能源驱动电机NVH 设计与优化
作者：喻皓 范泽义 王配 覃云萍 来源：《时代汽车》 2018年第7期
喻皓 范泽义 王配 覃云萍
广汽研究院 广东省广州市 511434
摘 要： 研究了电机气隙对电机 NVH 性能的影响。基于 Maxwell 进行了电磁仿真仿真分析，对电机转矩脉动和径向电磁谐波进行了研究，论证了电机气隙越大，因磁阻和漏磁的增加，电机性能下降；同时，气隙的增加，电机的气隙磁场谐波分量变小，使电机的 NVH 表现变好。气隙值大小对电机输出性能和 NVH 表现有着此消彼长的影响，电机设计需综合考虑电机输出性能和 NVH 性能，选择合理的气隙值。
关键词：电机气隙；输出性能；NVH；磁场谐波
1 引言
在追求电机更优性能的目标时，提高功率密度一直是电机工程师重要工作之一。电机功率密度越高，意味着电机在同等重量下发挥更大的功率和扭矩输出。
近年来，随着新能源车驱动电机的推广与应用， 电机的NVH越来越受到消费者关注，电机 NVH 水平逐渐成为评价一个电机性能重要指标。研究表明，电机 NVH 表现与电机输出功率和扭矩有直接关系。同一款电机，电机输出功率越小，电机的 NVH 表现越好。
对于同一款电机，其动力性与 NVH 表现越来越成为一个矛盾点。寻找最佳平衡点，使得电机综合性能最优，越来越成为电机设计的重要内容。
2 电机气隙对电机性能和 NVH 的影响
为提高电机功率密度，在满足加工精度、产品强度等设计要求的前提下，电机工程师偏向于设计更小的气隙，。这主要是因为，随着电机气隙增大，带来两方面的影响：（1）气隙增加，空气磁导率低，磁路磁阻增大，磁力线通过能力减弱；（2）在切向结构的永磁同步电机中，转轴侧永磁体端部存在较大漏磁，气隙长度增加，漏磁也增加。以上两方面均会带来电机性能的下降，即电机功率密度的降低。
然而小气隙电机带来了更明显的电磁噪音，这主要是因为电机工作过程中，通过定、转子间的电磁力作用，即切向的旋转扭矩和径向的电磁力，使得电机运转起来。定、转子间的电磁力，主要是径向电磁力使定子产生振动而辐射噪音。通过增大气隙，可减小气隙磁场谐波分量，降低径向力谐波，从而实现噪音的优化。
因此， 综合考虑输出能力和NVH的影响，选择合理气隙至关重要。本文通过有限元法，仿真分析了两种气隙下电机性能和 NVH 表现，并通过试验进行了对比验证。
3 设计方案介绍
本文以某款永磁同步驱动电机为研究对象，电机为强制水冷，内转子，电机最高转速为 12000rpm，电机壳体为铝合金材料。设计 0.6mm，0.9mm 气隙的电机，两种气隙的电机的主要
相比，电机转子外径相同，定子半径相差 0.15mm，考虑到 0.15mm 对定子齿部强度影响较小，0.9mm 气隙的电机直接将定子半径增大 0.15mm。电机电机参数如下表所示。
4 仿真分析结果
基于 Maxwell 对两种气隙的电机二维模型，并进行了电磁仿真，为了建立电机内部磁场，做以下假定条件：
（1）忽略电机端部效应，电机磁场沿轴向均匀分布；
（2）铁心冲片材料各向同性；
（3）电机壳体外部和电机轴磁场忽略不计；
（4）磁钢被均匀磁化；
（5）电机不采用斜级结构（忽略斜级对气隙的影响，但扭矩波动较大）；
经过电磁仿真计算，得到了两种气隙电机的扭矩仿真结果，如下图图 3 和图 4 所示。仿真分析结果说明，0.6mm 气隙电机最大扭矩为 360Nm、波动为 23%，0.9mm 气隙电机电磁激励为 336Nm、波动为 18%，随着气隙的增大，电机的输出扭矩变小，同时扭矩波动减少。扭矩减小主要原因有两方面：1）气隙增加，空气磁导率低，磁路磁阻增大，磁力线通过能力减弱；2）在切向结构的永磁同步电机中，转轴侧永磁体端部存在较大漏磁，气隙长度增加，漏磁也增加。因此，单从输出扭矩角度考虑，更倾向设计小气隙电机。扭矩波动减少这是因为减小气隙后，气隙磁场谐波分量减小，也同时降低扭矩谐波分量，降低扭矩波动，这有利于改善车辆抖动。
进一步对电机气隙磁密进行了分析，仿真分析结果如下图 3 和图 4 所示，分析表明：0.9mm 气隙电机的气隙磁密较 0.6mm 气隙电机谐波分量小，有利于降低电机径向力波动，减少电机径向振动，从而改善电机 NVH表现。为更直观的说明气隙磁密减小量，进行傅里叶分析，如下图 5 和图 6 所示：
对 0.6mm 气隙电机和 0.9mm 气隙电机的气隙磁密 FFT 分析进行了对比分析，如下图 7所示， 分析结果表明在对应阶次的幅值， 0.6mm气隙高于 0.9mm 气隙，这说明 0.6mm 气隙磁密谐波幅值更大，会辐射出更明显的噪音。
5 试验验证
考虑悬置系统对电机 NVH 的影响，本文的试验全部在整车上进行，工况为全油门加速工况，即全油门将车速从 0 加速到整车最高车速。通过麦克风对 0.6mm 和 0.9mm 气隙的电机进行了声压采集。声压瀑布图如下图 8 和图 9 所示。在 0.6mm 气隙的电机，声压瀑布图存在明显“亮点”，说明此处声压级较高，而在相同位置，0.9mm 气隙的电机，颜色变浅，说明此次声压级降低。
提取两种气隙电机的总声压级进行比较，如下图 10 所示，0.9mm 气隙的电机不仅在低转速区间，NVH 表现得到了明显的优化，而且在高转速区间，NVH 峰值得到了明显的削弱， 降低较为明显， 总声压级降低约8dB （A） 。
实车驾驶，主观感受上 0.9mm 气隙电机NVH 明显改善。这说明，增大气隙，可以起到改善电机 NVH 的作用。
6 结语
以上分析表明，电机气隙是电机设计重要参数， 需要综合考虑输出性能和NVH要求，在满足电机性能输出的前提下，增大气隙是改善电机 NVH 表现的一种重要方法。在电机设计过程中，为平衡输出性能和 NVH 性能，需设计合理的电机气隙值。
