電機都有振動噪音隱患，但電驅動電機更加突出。這一方面是因為要求更嚴格了，因為電機的振動很容易通過傳遞引起減速器、車架等部件的二次振動和耦合振動；另一方面電動汽車應用的工況特點也對電機產生了較大的約束，這些約束會惡化振動噪音問題。比如說高磁密問題和集中繞組問題。

電驅動電機的在性能上追求高功率密度、高轉矩密度，在經濟上又強調低成本。這導致了設計氣隙逐步減小，氣隙磁密逐步提高。最終高磁密的問題會反映到電機的噪音和振動水平上。

最近幾年在低速車微型車領域，出現(xiàn)了許多集中繞組式的電機。集中繞組就是近槽極比配合，繞組跨距為1的電機。這種設計一方面是因為繞組端部小，能減少用銅量，另一方面是為了迎合大規(guī)模自動化生產的需要，集中繞組能夠直接自動繞線，生產效率極高。但集中繞組卻帶來了很大的振動噪音挑戰(zhàn)。這是因為集中繞組的分數(shù)槽結構，產生了大量低階齒諧波，這些諧波容易和基波相互配對產生低空間次數(shù)的電磁力波。而低空間次數(shù)電磁力容易在機殼和定子上激勵出較大的振動響應，并伴隨作噪音問題。

隨著對續(xù)航里程的要求提高，電動汽車的輕量化趨勢明顯，一方面電機本體的機殼和定子的厚度再降低，另一方面減速器、車橋、車架的質量也在下降。這導致了無論是本體還是系統(tǒng)的剛度都在下降，相同的電磁力激勵會產生更大的振動響應，還可能會引起更大的噪音。

如何分析振動噪音問題？

欲解決振動噪音問題，必先解決如何分析問題。這里就有很多方法和流派，總的來說可以歸納為：自上而下和自下而上兩種方法。

自下而上是經驗派的主要工作方法，解決的套路和破案差不多，先到案發(fā)現(xiàn)場收集證據(jù)，然后分析可能的嫌疑對象，針對嫌疑對象進行調查，然后給出假設邏輯鏈和證據(jù)鏈。一旦鎖定了目標，就做出針對性的修改，重新做一臺電機來檢驗假想是否正確，如果正確了，問題解決，否則推倒重來。

自上而下是學院派的主要工作方法，學院派相信理論，相信方法論，在設計時就通過模型技術分析出了可能的故障特征，如果有問題及時更改設計。如果實測時發(fā)現(xiàn)了未預料到的故障特征，也會通過改善模型精度和計算方法來逐步逼近問題。

在實際工作中，我們應該做集大成者，這兩種方法要結合起來用，相互配合，從長遠來看，應該以學院派為主，經驗派為輔助。下面我著重介紹自上而下的分析過程：

第一步：電磁力計算，一般需要計算出兩類電磁力。一類是定子齒頂上每個單元的電磁力，以便后續(xù)的結構分析用，這是一種實時的分布力。另外一種是氣隙中的電磁力波，即電磁力的波函數(shù)，它是用來分析電磁力可能產生的原因。簡單的說：前面一種電磁力是用來模型計算用，后面一種電磁力是用來逆向分析用，它們是源同而表達方式不同。

第二步：模態(tài)計算和驗證。模態(tài)計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。因此需要通過實際檢測的結果來修正各種約束和阻尼的設置。模態(tài)的實測方法一般為錘擊法。模態(tài)分析即是為了修正模型，又可以用來預測共振的風險。

第三步：振動響應分析，計算第一步的電磁力施加在第二步的模型上，機殼、定子的瞬態(tài)響應。獲得關注點的加速度和速度振動的幅值和相位。

第四步：噪音分析和預測，通過聲學分析軟件，計算球面噪音的頻率分布和分貝。

如何解決振動噪音問題？

關于這一點，各家都有各家的手段。有的側重通過工藝來解決問題，有的側重電機本體設計，有的側重從控制器角度來解決問題，更有集大成者采用綜合性策略。

從工藝路線解決，是一種被動解決方案。常用的手段是，改善浸漆質量比如通過二次浸漆提高掛漆量和浸透深度。類似的方法還有改善鐵芯疊壓質量，降低齒定的彈片量、改善繞組端部長度和綁扎質量等等。這些手段的本質是提高結構系統(tǒng)的剛度和阻尼，從而減弱振動的幅值。

從本體設計路線解決，是一種本質性解決方案，主要的思想是從振動發(fā)生的源頭出發(fā)，能減弱電磁力就減弱電磁力，減弱不了就讓問題電磁力的頻率避開結構體的固有頻率。相應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，不均勻的氣隙會導致額外的諧波并產生額外的電磁力。除此之外還有許多方法，不一一例舉。

控制路線解決，在電機本體問題無法排除的情況下，還可以發(fā)揮控制器的主觀能動性，硬件不行就軟件補。常用的方法是諧波管理。它可以從正反兩面來解決問題，舉個例子：如果已經明確分析出5次電樞諧波是導致振動噪音的主要源頭，那么控制時就對5次諧波作單獨抑制，從而減弱噪音。如果反過來發(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階齒諧波產生的電磁力，那么我們就主動注入5次電樞諧波，就好比以毒攻毒。在國外，從控制側解決振動噪音問題成為研究熱點，因為這種方法機動靈活，不需要增加成本。

下面我先舉三個國外學者從電機本體解決問題的方法，以便打開思路，啟發(fā)靈感。

第一個例子是針對集中繞組的齒槽諧波引起的噪音的。有人對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)化計算。最后優(yōu)化的結果是能將電機的振動降低7%。

第二個例子是關于扭振和斜極的。這位前輩第一款電機將轉子分成兩段，兩段間斜了半個槽。這樣達到了降低轉矩脈動，車輛在啟動過程中更平穩(wěn)，但發(fā)現(xiàn)電機在3000-4000HZ的噪音特別大。問題出在扭轉共振上，該電機定子的第三階扭轉模態(tài)頻率在3725HZ，振形為上下反向拉伸，上下的相位剛好相反。而兩段式斜極導致上下兩段的齒槽轉矩相位也是相反的。這樣就和振型就高度一致了，在某個轉速下必然導致扭轉共振現(xiàn)象。解決的方法就是改進斜極方式，如下圖兩種新的斜極方式，實測下來噪音改善效果都很明顯。

第三個例子利用轉子不對稱修形和復合達到類似斜極的效果。如下圖所示，有兩種轉子沖片，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A-B-A的方式復合成一個轉子，實測后效果很好。不但明顯降低了1000-2000HZ噪音，齒槽轉矩也有相當比例的下降。

再舉兩個通過控制側解決噪音問題的方法：

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，通過雙控制器能明顯抑制電機電流的PWM諧波。達到降噪的效果。

另外一種觀點思路比較新穎，有位前輩發(fā)現(xiàn)電機的主要振動模態(tài)是4階，而引起該階振動的電磁力，受交直軸電流影響非常大。他作了仿真和試驗，發(fā)現(xiàn)不但電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)振動不一致，即便在電動狀態(tài)的第二相限（Id為負，Iq為正），不同的Id和Iq分配，振動大小也不一樣。因此他提出一種觀點，就是在電機和控制器耦合設計時，應以優(yōu)化電磁力為目標，優(yōu)化電機參數(shù)和控制策略，使得電流分配達到最佳噪音效果。但目前還沒有看到實際的產品應用。

為什么要做集大成者

在處理電機振動噪音問題上，我們自然的分成兩個流派。工程派們喜歡從噪音振動的經驗感覺出發(fā)去解決問題，學院派喜歡從理論模型出發(fā)來分析問題。兩種方法各有優(yōu)劣。工程派的缺點顯而易見：

其一：工程派的方法過于依賴經驗，這種經驗只能通過自己體驗或者老司機們的言傳身教才能獲得，不利于繼承發(fā)揚。

其二：很多問題是同源異表，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，完全靠經驗很難區(qū)分。

學院派們的理論模型分析法也有很多缺點：

其一，理論分析往往從穩(wěn)態(tài)理想狀態(tài)出發(fā)，比如恒轉速，恒轉矩等，而現(xiàn)實中振動噪音很多是在加速、調速等瞬態(tài)過程中發(fā)生的，分析結果很難直接應用。

其二，電機的理論振源有很多，有很多可能性會導致異常振動噪音，有可能是轉子偏心引起的，也有可能是槽極配合不當。分析一個過程耗時耗力，很難把各種可能性全部遍歷。

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

黑盒白盒法

在面對電動汽車振動噪音問題時，這位前輩創(chuàng)造了一套新穎的招法。雖然理論不是首創(chuàng)，但在電動汽車上的應用足以讓我輩望其項背。這套方法叫黑盒白盒法。

所謂“黑盒”就是“黑盒測試”的黑盒，將電機作為一個內部不可知的對象，不考慮電機內部是怎么構成的，只關注電機的外特性。所謂“白盒”和“黑盒”相反，電機對我們是完全開放透明的，我們能夠明確知道電機的理論結構和特性。黑盒白盒法由三大步構成：

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

白盒學習關鍵在于分析清楚各階諧波構成了哪些電磁力波，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速變化特性計算出來，畫在瀑布圖上（縱坐標是轉速，橫坐標是頻率），它是一條斜線，頻率隨速度變化而線性增長。

第二步黑盒實物測試。這位前輩構建了一個電機測試平臺，能夠測試出恒速和加速過程中的電機振動和噪音數(shù)據(jù)。這個測試平臺是一個對拖測試平臺，一臺作為電動機運行，一臺作為發(fā)動機運行，可以模擬汽車運行中各種工況。

黑盒測試主要獲得兩樣東西：1實際噪音頻譜（包括噪音瀑布圖）；2總體聲壓和聲功率隨速度變化曲線；

通過黑盒瀑布圖和白盒瀑布圖的對分析發(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生的。這位前輩將復雜的噪音頻譜分解成了若干獨立成分。

分解噪音的成分來源，需要依據(jù)工程師的實際經驗，判斷出哪些是基波噪音，哪些是諧波噪音，哪些是機械噪音。通過測試還發(fā)現(xiàn)噪音最強的狀態(tài)是空載400rpm時，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)下電磁力以及振動響應和噪音分布。以此來找出異常噪音的來源。

電機振動噪音評估的一般過程如上圖所示。下面結合實際案例具體說說每一步是如何實施的。

一：電磁力的計算，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)點電磁力法，各有優(yōu)劣。

集中電磁力計算的過程如下：先計算氣隙磁密，然后通過公式計算氣隙中的電磁力，累積計算多個時間，即可獲得完整的電磁力時空分布。然后將電磁力映射到我們需要研究的結構體上，可以是定子齒，也可以是轉子磁鋼，轉子每極的表面。集中電磁力計算一般是手動進行，所以選擇的對象一般較粗大。（比如一個齒為一個對象。）

這個例子中研究對象選擇了每一極的轉子表面，計算出了每個極表面的電磁力時間分布。然后針對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。也可以分析某一個時刻下，所以極電磁力的大小，我們看到每個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。有了某個對象電磁力時間分布和空間分布，也就把這個電磁力完整的描述出來了，在后續(xù)的分析中就可以準確的施加。這也是集中分布力計算的優(yōu)點。缺點就是需要較多的手動操作量。

分布電磁力的計算，是有有限元軟件計算而成的，軟件能夠直接計算出每個網格內的電磁力，并且儲存了所有步長下電磁力數(shù)據(jù)。如此可以方便的獲得每個節(jié)點的電磁力時間分布?？梢灾苯幼鳛楹罄m(xù)振動分析軟件的激勵源。優(yōu)點是不需要手動計算，非常方便。但這要求結構分析軟件和電磁分析軟件的強耦合。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和來源。

二：模態(tài)計算和校正

模態(tài)計算時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，需要通過實驗來求得，有位前輩給出了他的一組測試結論，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算的頻率和空間分布高度接近，那這種電磁力就非常危險。

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

三：振動分析

施加電磁力后，這位前輩通過振動分析，獲取了機殼、薄端蓋、厚端蓋的振動數(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：噪音預測分析

通過噪音仿真計算和黑盒測試的噪音頻譜分析作對比，發(fā)現(xiàn)兩者有一個共同特征就是580HZ和1440HZ附件都有較強的振動頻譜，這兩個剛好是端蓋的共振頻率，以此進一步驗證了前后端蓋共振是異常噪音的故障原因。

最后根據(jù)白盒和黑盒測試階段畫出的瀑布圖，發(fā)現(xiàn)第3和第8階力波在400rpm時分別和兩個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，根據(jù)振動幅值的計算公式，可以通過減小激振力、增大端蓋質量、增大阻尼的方法來抑制振動幅值。最后這位前輩選擇了增大阻尼的方法來優(yōu)化，將整體噪音降低了9.72dB

結論

總結一下，白盒黑盒法實際上是一種理論分析--工況測試--模型仿真綜合應用的一套組合拳。

通過白盒分析，我們了解了電機設計水平和特點，對電機可能的引起噪音的諧波有一個定性的把握。

通過黑盒測試，對電機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。

通過模型仿真，我們能夠精準的預測電機各部分的振動響應和噪音特征，并判斷出哪些電磁力導致了這些異常振動。從而能夠鎖定優(yōu)化對象，給出最佳的優(yōu)化策略。

招式好學，內功難練。理論不精熟，基礎不扎實，只不過是花拳繡腿。因此在開了眼界之后，還需要我們靜下心來，在工作中應用琢磨，成為自己的東西。