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永磁电机及电驱动的NVH研发过程

2019-01-21 09:50:26

前言(原文翻译):电动牵引传动装置比客车中传统使用的内燃机更安静,然而,由电动机和电力电子装置组成的电动驱动装置也必须针对NVH行为进行优化。麦格纳动力总成为相关工艺步骤的高压驱动和齿轮传动引入了一种方法。



1:声学上的挑战(AKUSTISCHE HERAUSFORDERUNGEN)


这部分在德国的小论文中基本称为引言(Einleitung)。作者提出汽车电动化是一个越来越明显的趋势。但是由于内燃机的取消和电动机的引入的电动化带来的新的振动和噪声问题必须好好重视起来,因为这和顾客体验和产品质量密切相关。


接下来就是对整个研究内容的一个综述。


电驱动器的典型声学激励机构是功率电子器件的电气开关操作,电动机的不均匀性和变速器中的齿轮中的滚动噪声,这部分如从传统的具有内燃机(VKM)的驱动器中已知的那样。




为了获得高度的声学舒适度,通过发动机支架和车辆结构的激励和传输应该尽可能低。驱动器的内部机械结构要求是在轴承点处处于低振动水平,以使声学传递结构路径中的噪声水平降低,要求还有就是要让表面振动很小,以减少通过空气中声音路径的传输。采用绝缘材料等次要措施可能会减少声音的传播,但其目的应该是尽可能降低声音辐射。


Magna的动力总成部门研发了一款高压电驱,这篇文章将重点讲讲在研发过程中的NVH优化改善问题,其中重点内容是齿轮啮合激励和驱动结构的振动。


在设计阶段,就已经必须分析和改进结构的振动特性,例如,通过以上分析可以合理安排使用箱体加筋以及达到避免悬臂质量堆积的目的。尽管电磁电路的设计侧重于关注性能和效率,但也应该考虑到设备的噪声性能。计算过的非均匀磁场力将被用作NVH模拟的输入量。


由于齿轮的滚动是周期性不均匀的过程,所以在齿轮之间产生可变的耦合刚度。这些数据被认为是NVH模拟中作为第二种激励机制。从分析中得到的结构改进将在原型机的开发中应用实施。原型机将在一个特殊的声学测试台上测量其NVH行为。这些测试结果有助于进一步改进组件,以及将其与模拟结果进行比较的作用。


2:齿轮啮合设计(VERZAHNUNGSAUSLEGUNG)


齿轮啮合的设计将按如下步骤一步一步的进行。在第一步中,根据所定义的齿轮拓扑以及其他边界条件,如目标齿轮比和安装空间,选择最佳齿数组合。这里特别注意电机的齿啮合阶次数和励磁阶次数的分离。设计应该避免今后工作过程中的粗糙声现象和波动现象。利用现在预选的齿数可以开始其宏观几何尺寸定义。


对此需要从负载能力,效率和NVH行为的三角关系中寻求一个很好的折中点。关于NVH的行为,在这一步中,需要注意轮廓覆盖和跳跃覆盖的最佳值(?)。如果找不到满意的解决方案,则会执行更改齿数,再次进行过程循环回滚操作。


对于接下来的齿轮啮合微观几何尺寸定义,需要考虑下面额外的几组参数,所有这些参数都会导致传动部件的倾斜变形:


- 非线性轴承刚度和空隙


- 轴变形(弯曲,扭曲)


- 箱体变形


由于这种优化不能针对所有的工作状况进行,因此选择对于整个系统的NVH行为是特别重要的那一工作状况。对于电动车(BEV)这是一个低负载点(?)。


为了满足承载能力和NVH行为的高要求,通常对齿进行以下校正:螺旋角校正,齿形宽度球面性,齿形高度球面性,齿头和/或齿根脚的重新定位。如果这些修改不能产生令人满意的结果,则进行进一步详细的说明。


为了大量可能的校正组合不对计算机进行分析造成太大的压力,选择软件自带的用于齿轮啮合设计的CAE工具中的自动微观几何分析的功能进行分析处理。


在这种情况下,通过接触分析计算在预定范围内检查大量不同的校正组合。在原型部件的最终设计实现之前,将根据以下结果评估各个结果:


- 宽度加载因子(Breitenlastfaktor)


- 旋转错误(Drehfehler)


- 齿轮啮合刚度的变化(Schwankungder Zahneingriffssteifigkeit)


- 负载的遮盖效应(Überdeckungunter Last)


- 效率(Wirkungsgrad)


- 齿面压力过载(Pressungsüberhöhungan der Zahnflanke)


分析结果不仅要涵盖了NVH领域,而且还要涵盖目标生命周期和损耗方面。从选择的变种组合中,将输出啮合刚度的变化过程(见图)数据,在MNoise软件中继续分析。




3:齿轮啮合布局的模拟过程(SIMULATIONSPROZESSDER VERZAHNUNGSANREGUNG)


齿轮啮合噪声评价的模拟过程一共包含三个连续的步骤。


第一步,利用多体模拟(MKS)来研究变速箱的转动部件的动态行为。尤其需要关注在齿轮接触面的啮合力的变化,因为它会动态激励整个结构(参数化的振动激励)。多体模拟模型包含齿轮和受载刚度相同的在空间固定的轴承。齿轮间的啮合将会被简化考虑,然后通过一个变化的齿轮啮合刚度来表达。这是由于需要降低计算机的运算量,节省时间。求解多体模型的任务将由软件MNoise来完成。(获得力)


第二步,将对变速箱进行有限元分析(FEA)。所建模型包含整个驱动模块和测试平台。在第一步中获得的变化的齿轮啮合力将作为激励信号,模拟相应将基于模态还原过程在频域中进行,以此可以减少数字计算。在频域中的分析在求解空间中没有瞬态响应,这也是它的一个优点。为了把阻尼行为考虑进去,可以直接在材料上加载材料阻尼,或者也可以考虑使用模态阻尼的方法。(获得速度)


第三步,将利用模拟所获得的结构的表面速度,来计算出例如表面声速或者声压等有说服力的声学数据。因为是直接计算的机构表面的速度,所以这可以用来解释近场噪声。为了能够做出远场噪音,有限元分析模型必须以这样一种方式进行扩展,即围绕结构的空域也包含在计算中。结构与周围空气空间之间的耦合,使用FEA求解器提供的映射算法执行。在空域外边缘的非反射边界条件,因此也允许模拟远场的声压级。(获得声学参数)






第一步中提到的用来模拟齿轮啮合力的多体模拟模型将考虑以下组件:


- 齿轮


- 轴


- 齿刚度变化曲线(非线性弹簧元件,通过齿轮啮合现象来描述齿轮间的耦合)


- 滚动轴承的径向和轴向刚度(使工作点线性化)


- 上游和下游的测试台组件(万向轴,刹车机构等)的质量转动惯量和扭转刚度。


齿轮对的整个MKS模型具有14个自由度,2×6自由度描述两个轴和齿轮的平移和旋转,并且对于上游和下游测试台部件的旋转需要两个另外的自由度。通过使用拉格朗日参数,更多齿轮级也可以耦合在一起(?)。


对于启动,输入端通常施加恒定的负载转矩,输出端则是线性的速度斜坡函数。在输出端设定的速度边界条件,再次使用拉格朗日参数来实现,以防止瞬态解中的数值问题(?)。


求解计算力平衡和力矩平衡方程,可以获得在整个转速范围内的(模拟所需要的)啮合力。随后使用傅里叶变换将其转换成频域,并用于模态响应模拟。


4:测量校正过程(PROZESSVALIDIERUNGMITTELS MESSUNGEN)


研发过程将以在声学实验平台上对实体样机上进行声学测试来结尾。Magna的多功能的声学实验平台不仅能够测试内燃机(VKM)的振动噪声信号,也可以测试电驱机构的驱动和受载时的振动噪声信号。测量实体图如下图所示




测量的目的是验证在驱动轴承上的整个驱动装置(电动机,变速箱和电力电子装置)的仿真模型的噪声辐射和振动行为(是否和实体机构符合)。为了获得尽可能有说服力的结论,在开始测量之前设定以下几点:


- 刚度优化设计的实验平台


- 使用优化的弹性体,将驱动器与测试台完美分离


- 和实车相近的驱动机构悬架结构


实验平台的特性将在模拟中被一一复制。因此,所有的影响都可以被考虑在内,并且在比较中是可信的。在这种前提条件下,完成所有工作模式下的空气噪声和结构噪声的测量。


由于电驱的期望主激励频率大部分在大于1kHz的范围内,所以除了传统的麦克风位置和振动测量之外,还会使用到声学摄像机(?)。它旨在提供有关驱动器上声学热点的信息,并用于解释和比较测量和模拟的辐射行为。同时,将会将模拟模型与测得的振动激励进行比较。


对比模拟和测试的结果,可以看到在所考虑的频率范围内几乎所有谐振(虚线)的一致性都非常好。在过程的各个阶段对NVH相关的参数和概念的很好一致性,显示了这个模拟模型能够很好的起到作用。最后,在验证过程尾声,还将在安装了该驱动单元的整车上,进行全滚轮工作室内测试评价。


5:总结(ZUSAMMENFASSUNG)


对新的电动车的研发过程中充满了挑战,其振动噪声的优化就是其中之一,因为它很大程度上代表了质量和技术。


通过对比模拟结果和测量结果,整个计算过程和开发工具得到了积极的验证。利用这些成果,使得开发出完成NVH优化的电驱机构,成为可能。


感应VS永磁电机谁主宰天下?读完你就知道了…

来源:汽车动力总成


当人们以为,特斯拉将沿袭三相感应电机的传统,在最新的Model 3车型上,特斯拉公司却选用了三相永磁电机。此前,Model S与Model X采用三相感应电机。如今却换用永磁电机,这是为什么呢?我们一起先来了解一下感应电机和永磁电机。




采用永磁电机的特斯拉Model 3


什么是感应电机/永磁电机?


大体上电机可以按照按工作电源、结构及工作原理、起动与运行方式的不同以及用途的不同来分类。其中适合于新能源汽车的驱动的电机主要有永磁同步电机、感应电机和开关磁阻电机三大类。在此,我们先用一张图来概括一下按结构及工作原理方法归类的电机。




按结构及工作原理方法归类的“电机族谱”


感应电机就是咱们经常说的交流异步电动机,它是一种由定子绕组之后形成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场互相发生物理作用之后产生电磁转矩驱动带动子旋转的一种电动机类型。而永磁电机主要是指永磁同步电动机。




感应电机(交流异步电动机)








永磁同步电机


如果转子绕组中的电流不是由定子旋转磁场感应的,而是自己产生的,则转子磁场与定子旋转磁场无关,而且其磁极方向是固定的,那么根据同性相斥、异性相吸的原理,定子的旋转磁场就会拉动转子旋转,并且使转子磁场及转子与定子旋转磁场“同步”旋转。这就是同步电动机的工作原理。毫无疑问,同步自然控制起来更方便一点。


到底哪种电机主宰市场?


为了能让大家更加简洁明了 get 到这两种电动机各自的特点,我们汇总了相关知识点制成表格供您参考。用最概括的说法来描述便是,感应电机会更加适用于高性能高速的工况,而永磁同步电机则更适用于频繁启停的工况。


感应电机优缺点




永磁电机优缺点




如果比较关注国内新能源汽车的粉丝们可能会有这么一个印象,就是欧美比较喜欢使用感应电机,而国内的大多数厂家喜欢采用永磁同步电机。来自大洋彼岸的特斯拉Model S 与 Model X 就是最好的例子,但国内的蔚来 ES8 与江铃 E200S 这两款车同样搭载感应(交流异步)电机,除此之外,很难觅得感应电机阵营的车型了。例如比亚迪秦 EV、宋 EV、吉利帝豪 EV、荣威 ERX5、宝马 i3 等大部分纯电动车都是搭载永磁同步电机。




使用感应电机的蔚来 ES8


结合上面的表格,永磁同步电机目前占据大半壁江山的原因似乎很简单,在大体相同的技术水平下,永磁同步电机除了弱磁控制以外,无论转矩密度、功率密度还是效率都比感应电机表现要好,从而可以提高能源效率,增加续航里程,这无疑直击当下纯电动车的最大痛点。同时,永磁同步电机在瞬态仍然可以保证 95% 左右较高效率,加上体积小,重量轻,因此适用于频繁起停的工况以及较小的乘用车布置空间。此外,永磁电机不需要感应电机那般的高效和复杂的冷却系统,这有利于整车的设计制造。




且既然现在以市场导向为主,国内许多品牌之间的电机其实是没有区别的,除了特斯拉、比亚迪、荣威拥有自己的电机,其它厂家暂时都是选择供应商提供的电机,所以再渠道方面是比较单一的。


此外,除了上述技术市场的部分因素,还有一大原因不容忽视,上文提到的永磁同步电机所需要的钕铁硼等永磁材料是重要的稀土资源,对于稀土资源缺少或稀土工业不发达的国家而言,这就非常尴尬了,我们知道,车用动力电机的技术资源是与是一个国家的核心竞争力,相关周边均不轻易外传。我国拥有全球 70% 的稀土资源,钕铁硼磁性材料的总产量达到全球的 80%。由于国内稀土资源这一大优势,选择高效率的永磁同步电机似乎是水到渠成的事。而日本则是稀土产业的大国,但对于欧美车企来说若想用永磁同步电机势必要考虑进口稀土的供应保障等一系列因素。




稀土永磁部件


我们再回头来看看特斯拉的三相感应电机,它具备成本低、承受温差范围大、输出扭矩调整范围大、高速区间效率好的优点;但是,能耗较大、功率因数滞后、高效区窄、轻载功率因数低,调速性能稍差的缺点也不容忽视。


同时,市场对永磁电机的需要更大。与三相感应电机相比,永磁电机具备高效区宽、节能性、小体积、轻量化等方面的优点。高效、节能、续航三方面的能力是当前电动汽车产业所最看重的部分。虽然,永磁电机也具有控制系统/结构复杂、成本高的缺点,但是由于优点更贴合市场,相对而言更加经济,所以特斯拉在Model 3车型上选择了永磁电机。




特斯拉model 3双电机版


稀土矿稀土是是化学周期表中镧系元素和钪、钇共十七种金属元素的总称,中国作为稀土永磁材料重要大国,特斯拉与中国供应商合作企业有:中科三环(铷铁硼磁体)、置信电机(铜转子)、横店东磁(软磁材料)、东睦股份(粉末冶金零件),和大工业(减速齿轮组)、旭升股份(变速箱箱体),还有格林美、寒锐钴业、河北宣工等(铁粉、铜粉、镍粉、钴粉)。


永磁同步电机的市场所占比例很大,是否说明感应电机不如永磁同步电机呢?答案是NO!


感应电机与永磁电机没有确切优劣之分。


从目前技术优势来看,永磁同步电动机成为主流实至名归。值得注意的是,尽管在重量和体积方面,感应(交流异步)电动机并不占优势,但其转速范围广、成本低、工艺简单、运行可靠耐用。至于重量对续航里程的影响,如果未来电池续航里程大幅增加、感应电机体积优化做得好,或许会更有底气与永磁电机在市场表现上一争高下。




可以说当下站在纯电动车“金字塔”顶端的特斯拉 Model S 与 Model X 目前还是在使用感应电机,因为感应电机的功率更大,容易实现更快的百公里加速,在长时间大功率高温下持续运转时,同时也不会出现退磁现象。而蔚来要造高性能电动车,自然就选了和特斯拉一样的感应(交流异步)电机。


因此,感应电机与永磁电机各有千秋,电动车企业采用什么电机,可能跟车型的定位以及自身技术领域所长有关!比如在电动车界拥有至高无上的江湖地位的大哥特斯拉,就两样电机都能跨界玩转,而其它车企小弟们,只能各施其招了。


电机发展技术趋势


总的来说,永磁同步电机对比感应电机,它们各自都具有明显的优势。不过,目前纯电动车的续航里程势必是一项及其重要的指标,永磁同步电机的高效率能更好地提高续航里程。而且高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进,使稀土永磁同步电机的发展进一步完善。但就现在的发展趋势看,永磁同步电机似乎前景更好。


然而,像特斯拉在感应(交流异步)电机铜芯转子的技术上的技术突破也让此类电机在效率方面有较大优势,同时获得了低成本、高效率的双赢,再例如,随着交流调速系统的发展,目前适用于宽调速的异步电机的调速性能及经济性已可与直流电机相媲美。不得不说,在技术水平快速迭代的当下,纯电动车的动力电池技术若取得重大突破,交流异步电机也有平分天下的可能。