電機(jī)都有振動(dòng)噪音隱患，但電驅(qū)動(dòng)電機(jī)更加突出。這一方面是因?yàn)橐蟾鼑?yán)格了，因?yàn)殡姍C(jī)的振動(dòng)很容易通過(guò)傳遞引起減速器、車(chē)架等部件的二次振動(dòng)和耦合振動(dòng)；另一方面電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的工況特點(diǎn)也對(duì)電機(jī)產(chǎn)生了較大的約束，這些約束會(huì)惡化振動(dòng)噪音問(wèn)題。比如說(shuō)高磁密問(wèn)題和集中繞組問(wèn)題。

電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的在性能上追求高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度，在經(jīng)濟(jì)上又強(qiáng)調(diào)低成本。這導(dǎo)致了設(shè)計(jì)氣隙逐步減小，氣隙磁密逐步提高。最終高磁密的問(wèn)題會(huì)反映到電機(jī)的噪音和振動(dòng)水平上。

最近幾年在低速車(chē)微型車(chē)領(lǐng)域，出現(xiàn)了許多集中繞組式的電機(jī)。集中繞組就是近槽極比配合，繞組跨距為1的電機(jī)。這種設(shè)計(jì)一方面是因?yàn)槔@組端部小，能減少用銅量，另一方面是為了迎合大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，集中繞組能夠直接自動(dòng)繞線，生產(chǎn)效率極高。但集中繞組卻帶來(lái)了很大的振動(dòng)噪音挑戰(zhàn)。這是因?yàn)榧欣@組的分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了大量低階齒諧波，這些諧波容易和基波相互配對(duì)產(chǎn)生低空間次數(shù)的電磁力波。而低空間次數(shù)電磁力容易在機(jī)殼和定子上激勵(lì)出較大的振動(dòng)響應(yīng)，并伴隨作噪音問(wèn)題。

隨著對(duì)續(xù)航里程的要求提高，電動(dòng)汽車(chē)的輕量化趨勢(shì)明顯，一方面電機(jī)本體的機(jī)殼和定子的厚度再降低，另一方面減速器、車(chē)橋、車(chē)架的質(zhì)量也在下降。這導(dǎo)致了無(wú)論是本體還是系統(tǒng)的剛度都在下降，相同的電磁力激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生更大的振動(dòng)響應(yīng)，還可能會(huì)引起更大的噪音。

如何分析振動(dòng)噪音問(wèn)題？

欲解決振動(dòng)噪音問(wèn)題，必先解決如何分析問(wèn)題。這里就有很多方法和流派，總的來(lái)說(shuō)可以歸納為：自上而下和自下而上兩種方法。

自下而上是經(jīng)驗(yàn)派的主要工作方法，解決的套路和破案差不多，先到案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)收集證據(jù)，然后分析可能的嫌疑對(duì)象，針對(duì)嫌疑對(duì)象進(jìn)行調(diào)查，然后給出假設(shè)邏輯鏈和證據(jù)鏈。一旦鎖定了目標(biāo)，就做出針對(duì)性的修改，重新做一臺(tái)電機(jī)來(lái)檢驗(yàn)假想是否正確，如果正確了，問(wèn)題解決，否則推倒重來(lái)。

自上而下是學(xué)院派的主要工作方法，學(xué)院派相信理論，相信方法論，在設(shè)計(jì)時(shí)就通過(guò)模型技術(shù)分析出了可能的故障特征，如果有問(wèn)題及時(shí)更改設(shè)計(jì)。如果實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)了未預(yù)料到的故障特征，也會(huì)通過(guò)改善模型精度和計(jì)算方法來(lái)逐步逼近問(wèn)題。

在實(shí)際工作中，我們應(yīng)該做集大成者，這兩種方法要結(jié)合起來(lái)用，相互配合，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，應(yīng)該以學(xué)院派為主，經(jīng)驗(yàn)派為輔助。下面我著重介紹自上而下的分析過(guò)程：

第一步：電磁力計(jì)算，一般需要計(jì)算出兩類(lèi)電磁力。一類(lèi)是定子齒頂上每個(gè)單元的電磁力，以便后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析用，這是一種實(shí)時(shí)的分布力。另外一種是氣隙中的電磁力波，即電磁力的波函數(shù)，它是用來(lái)分析電磁力可能產(chǎn)生的原因。簡(jiǎn)單的說(shuō)：前面一種電磁力是用來(lái)模型計(jì)算用，后面一種電磁力是用來(lái)逆向分析用，它們是源同而表達(dá)方式不同。

第二步：模態(tài)計(jì)算和驗(yàn)證。模態(tài)計(jì)算的精度受約束條件、浸漆、繞組等因素的制約，不太容易一次獲得精確解。因此需要通過(guò)實(shí)際檢測(cè)的結(jié)果來(lái)修正各種約束和阻尼的設(shè)置。模態(tài)的實(shí)測(cè)方法一般為錘擊法。模態(tài)分析即是為了修正模型，又可以用來(lái)預(yù)測(cè)共振的風(fēng)險(xiǎn)。

第三步：振動(dòng)響應(yīng)分析，計(jì)算第一步的電磁力施加在第二步的模型上，機(jī)殼、定子的瞬態(tài)響應(yīng)。獲得關(guān)注點(diǎn)的加速度和速度振動(dòng)的幅值和相位。

第四步：噪音分析和預(yù)測(cè)，通過(guò)聲學(xué)分析軟件，計(jì)算球面噪音的頻率分布和分貝。

如何解決振動(dòng)噪音問(wèn)題？

關(guān)于這一點(diǎn)，各家都有各家的手段。有的側(cè)重通過(guò)工藝來(lái)解決問(wèn)題，有的側(cè)重電機(jī)本體設(shè)計(jì)，有的側(cè)重從控制器角度來(lái)解決問(wèn)題，更有集大成者采用綜合性策略。

從工藝路線解決，是一種被動(dòng)解決方案。常用的手段是，改善浸漆質(zhì)量比如通過(guò)二次浸漆提高掛漆量和浸透深度。類(lèi)似的方法還有改善鐵芯疊壓質(zhì)量，降低齒定的彈片量、改善繞組端部長(zhǎng)度和綁扎質(zhì)量等等。這些手段的本質(zhì)是提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛度和阻尼，從而減弱振動(dòng)的幅值。

從本體設(shè)計(jì)路線解決，是一種本質(zhì)性解決方案，主要的思想是從振動(dòng)發(fā)生的源頭出發(fā)，能減弱電磁力就減弱電磁力，減弱不了就讓問(wèn)題電磁力的頻率避開(kāi)結(jié)構(gòu)體的固有頻率。相應(yīng)的手段有槽極比選擇，它可以明顯改變電磁力的頻率分布；提高氣隙均勻度，能控制電磁力成分，不均勻的氣隙會(huì)導(dǎo)致額外的諧波并產(chǎn)生額外的電磁力。除此之外還有許多方法，不一一例舉。

控制路線解決，在電機(jī)本體問(wèn)題無(wú)法排除的情況下，還可以發(fā)揮控制器的主觀能動(dòng)性，硬件不行就軟件補(bǔ)。常用的方法是諧波管理。它可以從正反兩面來(lái)解決問(wèn)題，舉個(gè)例子：如果已經(jīng)明確分析出5次電樞諧波是導(dǎo)致振動(dòng)噪音的主要源頭，那么控制時(shí)就對(duì)5次諧波作單獨(dú)抑制，從而減弱噪音。如果反過(guò)來(lái)發(fā)現(xiàn)主要噪音是1階齒諧波引起的，而5次電樞諧波剛好能夠抵消掉1階齒諧波產(chǎn)生的電磁力，那么我們就主動(dòng)注入5次電樞諧波，就好比以毒攻毒。在國(guó)外，從控制側(cè)解決振動(dòng)噪音問(wèn)題成為研究熱點(diǎn)，因?yàn)檫@種方法機(jī)動(dòng)靈活，不需要增加成本。

下面我先舉三個(gè)國(guó)外學(xué)者從電機(jī)本體解決問(wèn)題的方法，以便打開(kāi)思路，啟發(fā)靈感。

第一個(gè)例子是針對(duì)集中繞組的齒槽諧波引起的噪音的。有人對(duì)定子齒作了如下圖的修形處理，將圓弧面修成平面。并以齒頂寬和齒頂高作為可變參數(shù)，作了參數(shù)化計(jì)算。最后優(yōu)化的結(jié)果是能將電機(jī)的振動(dòng)降低7%。

第二個(gè)例子是關(guān)于扭振和斜極的。這位前輩第一款電機(jī)將轉(zhuǎn)子分成兩段，兩段間斜了半個(gè)槽。這樣達(dá)到了降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，車(chē)輛在啟動(dòng)過(guò)程中更平穩(wěn)，但發(fā)現(xiàn)電機(jī)在3000-4000HZ的噪音特別大。問(wèn)題出在扭轉(zhuǎn)共振上，該電機(jī)定子的第三階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率在3725HZ，振形為上下反向拉伸，上下的相位剛好相反。而兩段式斜極導(dǎo)致上下兩段的齒槽轉(zhuǎn)矩相位也是相反的。這樣就和振型就高度一致了，在某個(gè)轉(zhuǎn)速下必然導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象。解決的方法就是改進(jìn)斜極方式，如下圖兩種新的斜極方式，實(shí)測(cè)下來(lái)噪音改善效果都很明顯。

第三個(gè)例子利用轉(zhuǎn)子不對(duì)稱修形和復(fù)合達(dá)到類(lèi)似斜極的效果。如下圖所示，有兩種轉(zhuǎn)子沖片，A沖片左極弧小于右極弧，B沖片則剛好相反。兩種沖片通過(guò)A-B-A的方式復(fù)合成一個(gè)轉(zhuǎn)子，實(shí)測(cè)后效果很好。不但明顯降低了1000-2000HZ噪音，齒槽轉(zhuǎn)矩也有相當(dāng)比例的下降。

再舉兩個(gè)通過(guò)控制側(cè)解決噪音問(wèn)題的方法：

第一種方法是利用雙控制器，降低高頻電磁噪音。如下圖所示，通過(guò)雙控制器能明顯抑制電機(jī)電流的PWM諧波。達(dá)到降噪的效果。

另外一種觀點(diǎn)思路比較新穎，有位前輩發(fā)現(xiàn)電機(jī)的主要振動(dòng)模態(tài)是4階，而引起該階振動(dòng)的電磁力，受交直軸電流影響非常大。他作了仿真和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不但電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)振動(dòng)不一致，即便在電動(dòng)狀態(tài)的第二相限（Id為負(fù)，Iq為正），不同的Id和Iq分配，振動(dòng)大小也不一樣。因此他提出一種觀點(diǎn)，就是在電機(jī)和控制器耦合設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以優(yōu)化電磁力為目標(biāo)，優(yōu)化電機(jī)參數(shù)和控制策略，使得電流分配達(dá)到最佳噪音效果。但目前還沒(méi)有看到實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用。

為什么要做集大成者

在處理電機(jī)振動(dòng)噪音問(wèn)題上，我們自然的分成兩個(gè)流派。工程派們喜歡從噪音振動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)感覺(jué)出發(fā)去解決問(wèn)題，學(xué)院派喜歡從理論模型出發(fā)來(lái)分析問(wèn)題。兩種方法各有優(yōu)劣。工程派的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)：

其一：工程派的方法過(guò)于依賴經(jīng)驗(yàn)，這種經(jīng)驗(yàn)只能通過(guò)自己體驗(yàn)或者老司機(jī)們的言傳身教才能獲得，不利于繼承發(fā)揚(yáng)。

其二：很多問(wèn)題是同源異表，或者異源同表，病癥不同而病因相同，或者病因相同病癥卻不同，完全靠經(jīng)驗(yàn)很難區(qū)分。

學(xué)院派們的理論模型分析法也有很多缺點(diǎn)：

其一，理論分析往往從穩(wěn)態(tài)理想狀態(tài)出發(fā)，比如恒轉(zhuǎn)速，恒轉(zhuǎn)矩等，而現(xiàn)實(shí)中振動(dòng)噪音很多是在加速、調(diào)速等瞬態(tài)過(guò)程中發(fā)生的，分析結(jié)果很難直接應(yīng)用。

其二，電機(jī)的理論振源有很多，有很多可能性會(huì)導(dǎo)致異常振動(dòng)噪音，有可能是轉(zhuǎn)子偏心引起的，也有可能是槽極配合不當(dāng)。分析一個(gè)過(guò)程耗時(shí)耗力，很難把各種可能性全部遍歷。

問(wèn)題倒逼思考，困難促進(jìn)成長(zhǎng)。在現(xiàn)實(shí)需求面前，很多前輩驚才絕艷，修煉成了集兩家之長(zhǎng)的武功，成了能夠綜合運(yùn)用的集大成者。接下來(lái)介紹一位絕頂高手解決問(wèn)題的招式和套路。

黑盒白盒法

在面對(duì)電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)噪音問(wèn)題時(shí)，這位前輩創(chuàng)造了一套新穎的招法。雖然理論不是首創(chuàng)，但在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用足以讓我輩望其項(xiàng)背。這套方法叫黑盒白盒法。

所謂“黑盒”就是“黑盒測(cè)試”的黑盒，將電機(jī)作為一個(gè)內(nèi)部不可知的對(duì)象，不考慮電機(jī)內(nèi)部是怎么構(gòu)成的，只關(guān)注電機(jī)的外特性。所謂“白盒”和“黑盒”相反，電機(jī)對(duì)我們是完全開(kāi)放透明的，我們能夠明確知道電機(jī)的理論結(jié)構(gòu)和特性。黑盒白盒法由三大步構(gòu)成：

第一步白盒模型學(xué)習(xí)。獲得兩個(gè)東西：1電機(jī)的主要電磁力的理論頻譜；2這些頻譜背后的構(gòu)成成分，這些成分可以是第一階齒槽諧波或者第3次永磁諧波；

白盒學(xué)習(xí)關(guān)鍵在于分析清楚各階諧波構(gòu)成了哪些電磁力波，哪些電磁力波是主要，哪些電磁力波是次要的，一般空間次數(shù)小，幅值大的力波是主要矛盾。然后將這些力波的頻率隨轉(zhuǎn)速變化特性計(jì)算出來(lái)，畫(huà)在瀑布圖上（縱坐標(biāo)是轉(zhuǎn)速，橫坐標(biāo)是頻率），它是一條斜線，頻率隨速度變化而線性增長(zhǎng)。

第二步黑盒實(shí)物測(cè)試。這位前輩構(gòu)建了一個(gè)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)，能夠測(cè)試出恒速和加速過(guò)程中的電機(jī)振動(dòng)和噪音數(shù)據(jù)。這個(gè)測(cè)試平臺(tái)是一個(gè)對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)，一臺(tái)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，一臺(tái)作為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，可以模擬汽車(chē)運(yùn)行中各種工況。

黑盒測(cè)試主要獲得兩樣?xùn)|西：1實(shí)際噪音頻譜（包括噪音瀑布圖）；2總體聲壓和聲功率隨速度變化曲線；

通過(guò)黑盒瀑布圖和白盒瀑布圖的對(duì)分析發(fā)現(xiàn)：除了理論噪音頻譜外，還有更豐富的噪音頻譜特征。這些噪音頻譜大都是基波電流之外的電流諧波產(chǎn)生的。這位前輩將復(fù)雜的噪音頻譜分解成了若干獨(dú)立成分。

分解噪音的成分來(lái)源，需要依據(jù)工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，判斷出哪些是基波噪音，哪些是諧波噪音，哪些是機(jī)械噪音。通過(guò)測(cè)試還發(fā)現(xiàn)噪音最強(qiáng)的狀態(tài)是空載400rpm時(shí)，以此判斷出將400rpm空載作為主要的分析工況。

第三步四步法模型分析。就是分析在400rpm空載狀態(tài)下電磁力以及振動(dòng)響應(yīng)和噪音分布。以此來(lái)找出異常噪音的來(lái)源。

電機(jī)振動(dòng)噪音評(píng)估的一般過(guò)程如上圖所示。下面結(jié)合實(shí)際案例具體說(shuō)說(shuō)每一步是如何實(shí)施的。

一：電磁力的計(jì)算，一般有兩種方法獲得電磁力，其中一種是集中電磁力法一種是節(jié)點(diǎn)電磁力法，各有優(yōu)劣。

集中電磁力計(jì)算的過(guò)程如下：先計(jì)算氣隙磁密，然后通過(guò)公式計(jì)算氣隙中的電磁力，累積計(jì)算多個(gè)時(shí)間，即可獲得完整的電磁力時(shí)空分布。然后將電磁力映射到我們需要研究的結(jié)構(gòu)體上，可以是定子齒，也可以是轉(zhuǎn)子磁鋼，轉(zhuǎn)子每極的表面。集中電磁力計(jì)算一般是手動(dòng)進(jìn)行，所以選擇的對(duì)象一般較粗大。（比如一個(gè)齒為一個(gè)對(duì)象。）

這個(gè)例子中研究對(duì)象選擇了每一極的轉(zhuǎn)子表面，計(jì)算出了每個(gè)極表面的電磁力時(shí)間分布。然后針對(duì)每一極上可以作電磁力頻譜分析，獲得電磁力的頻率分布特點(diǎn)。也可以分析某一個(gè)時(shí)刻下，所以極電磁力的大小，我們看到每個(gè)極的電磁力大小是不一樣的，將所有極的電磁力作統(tǒng)一整體分析，可以獲得電磁力波的空間分布。有了某個(gè)對(duì)象電磁力時(shí)間分布和空間分布，也就把這個(gè)電磁力完整的描述出來(lái)了，在后續(xù)的分析中就可以準(zhǔn)確的施加。這也是集中分布力計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)就是需要較多的手動(dòng)操作量。

分布電磁力的計(jì)算，是有有限元軟件計(jì)算而成的，軟件能夠直接計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的電磁力，并且儲(chǔ)存了所有步長(zhǎng)下電磁力數(shù)據(jù)。如此可以方便的獲得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電磁力時(shí)間分布?？梢灾苯幼鳛楹罄m(xù)振動(dòng)分析軟件的激勵(lì)源。優(yōu)點(diǎn)是不需要手動(dòng)計(jì)算，非常方便。但這要求結(jié)構(gòu)分析軟件和電磁分析軟件的強(qiáng)耦合。另外一方面，不方便確定電磁力波的空間分布，不利于工程師判斷電磁力的性質(zhì)和來(lái)源。

二：模態(tài)計(jì)算和校正

模態(tài)計(jì)算時(shí)需要注意定子鐵芯軸向的彈性模量和泊松系數(shù)是不確定量，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)求得，有位前輩給出了他的一組測(cè)試結(jié)論，在上圖的右上角。如果發(fā)現(xiàn)模態(tài)的頻率和振型（空間次數(shù)）和第一步中集中電磁力計(jì)算的頻率和空間分布高度接近，那這種電磁力就非常危險(xiǎn)。

模態(tài)測(cè)試能夠獲得的階次多少，取決于傳感器的點(diǎn)的布置，點(diǎn)數(shù)越多階次越多。通過(guò)模態(tài)測(cè)試不但能夠獲得固有頻率還能夠獲得阻尼系數(shù)。

三：振動(dòng)分析

施加電磁力后，這位前輩通過(guò)振動(dòng)分析，獲取了機(jī)殼、薄端蓋、厚端蓋的振動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)薄、厚端蓋的一階固有頻率附近都有較大的振幅。判斷出這是400rpm工況下異常噪音的主要振體。

四：噪音預(yù)測(cè)分析

通過(guò)噪音仿真計(jì)算和黑盒測(cè)試的噪音頻譜分析作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者有一個(gè)共同特征就是580HZ和1440HZ附件都有較強(qiáng)的振動(dòng)頻譜，這兩個(gè)剛好是端蓋的共振頻率，以此進(jìn)一步驗(yàn)證了前后端蓋共振是異常噪音的故障原因。

最后根據(jù)白盒和黑盒測(cè)試階段畫(huà)出的瀑布圖，發(fā)現(xiàn)第3和第8階力波在400rpm時(shí)分別和兩個(gè)端蓋的固有頻率是重合的。而第3階力波可以判斷出是3階齒諧波引起的，這就給出了問(wèn)題的根源所在。

最后的改良方案

優(yōu)化噪音，必先優(yōu)化振動(dòng)，根據(jù)振動(dòng)幅值的計(jì)算公式，可以通過(guò)減小激振力、增大端蓋質(zhì)量、增大阻尼的方法來(lái)抑制振動(dòng)幅值。最后這位前輩選擇了增大阻尼的方法來(lái)優(yōu)化，將整體噪音降低了9.72dB

結(jié)論

總結(jié)一下，白盒黑盒法實(shí)際上是一種理論分析--工況測(cè)試--模型仿真綜合應(yīng)用的一套組合拳。

通過(guò)白盒分析，我們了解了電機(jī)設(shè)計(jì)水平和特點(diǎn)，對(duì)電機(jī)可能的引起噪音的諧波有一個(gè)定性的把握。

通過(guò)黑盒測(cè)試，對(duì)電機(jī)在不同工況下的噪音特征有了完整的把握，能夠鎖定那些特別異常的工況。

通過(guò)模型仿真，我們能夠精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)電機(jī)各部分的振動(dòng)響應(yīng)和噪音特征，并判斷出哪些電磁力導(dǎo)致了這些異常振動(dòng)。從而能夠鎖定優(yōu)化對(duì)象，給出最佳的優(yōu)化策略。

招式好學(xué)，內(nèi)功難練。理論不精熟，基礎(chǔ)不扎實(shí)，只不過(guò)是花拳繡腿。因此在開(kāi)了眼界之后，還需要我們靜下心來(lái)，在工作中應(yīng)用琢磨，成為自己的東西。