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。這是因為集中繞組的分數槽結構，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的電磁力波。而低空間次數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，先到案發現場收集證據，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。如果實測時發現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，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：模態計算和驗證。模態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。模態的實測方法一般為錘擊法。模態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生的源頭出發，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。如果反過來發現主要噪音是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，作了參數化計算。最后優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，但發現電機在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，有位前輩發現電機的主要振動模態是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，發現不但電動狀態和發電狀態振動不一致，即便在電動狀態的第二相限（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，應以優化電磁力為目標，優化電機參數和控制策略，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去解決問題，學院派喜歡從理論模型出發來分析問題。兩種方法各有優劣。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，理論分析往往從穩態理想狀態出發，比如恒轉速，恒轉矩等，而現實中振動噪音很多是在加速、調速等瞬態過程中發生的，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，這位前輩創造了一套新穎的招法。雖然理論不是首創，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據。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現：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。通過測試還發現噪音最強的狀態是空載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點電磁力法，各有優劣。

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，在后續的分析中就可以準確的施加。這也是集中分布力計算的優點。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據。如此可以方便的獲得每個節點的電磁力時間分布。可以直接作為后續振動分析軟件的激勵源。優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：模態計算和校正

模態計算時需要注意定子鐵芯軸向的彈性模量和泊松系數是不確定量，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。如果發現模態的頻率和振型（空間次數）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。

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

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、厚端蓋的振動數據，發現薄、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，發現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。

最后根據白盒和黑盒測試階段畫出的瀑布圖，發現第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

優化噪音，必先優化振動，根據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。從而能夠鎖定優化對象，給出最佳的優化策略。

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。