车用同步电机噪声与振动

1.《车用同步电机噪声与振动》提炼了作者及研究团队近20年从事车用电机振动噪声的研究成果，提出了一系列车用电机NVH方面的创新理论方法。
2.《车用同步电机噪声与振动》介绍了振动力学、工程噪声、工程信号处理及电磁力学的相关理论，为车用电机振动噪声理论分析与降噪优化奠定了基础。
3.《车用同步电机噪声与振动》以车用同步电机为对象开展噪声与振动理论方法及实验研究，包括车用永磁同步电机和车用爪极同步发电机两种。
4.《车用同步电机噪声与振动》重点介绍了电磁力激励作用下通过电机结构辐射产生的噪声。
5.针对不同车用同步电机，《车用同步电机噪声与振动》详述了电磁振动与噪声的数值仿真方法，提出了诸多可靠的降噪方案，并给出了实际应用案例。
6.本书适合汽车行业研发人员阅读，也可供车辆工程相关专业师生参考。

《车用同步电机噪声与振动》主要针对车用电机的电磁噪声问题，提出了适用于不同电机的电磁噪声数值仿真方法，并给出了实际应用案例；全面阐述了车用电机振动与噪声的产生机理，从理论层面深入分析了电机电磁噪声来源，揭示了电磁噪声与电机结构参数及控制参数之间的内在关系；针对不同车用电机，提出了切实可行的减振降噪方法，具有实际工程应用价值和理论指导意义。
《车用同步电机噪声与振动》适合汽车行业研发人员阅读，也可供车辆工程相关专业师生参考。

左曙光，同济大学汽车学院教授，博士生导师。从事汽车工程教学科研工作二十余年，主要科研方向包括传统汽车及新能源汽车整车振动噪声测试诊断、发动机系统悬置主被动隔振优化、燃料电池发动机和电驱动总成减振降噪、车用电机电磁噪声优化分析。获上海市教学成果一等奖1项、上海市曙光学者人才奖、同济大学攀登高层次人才计划奖。

前言

本书所用符号说明

第1章车用同步电机噪声与振动概述……1
1.1车用永磁同步电机噪声与振动……1
1.2车用爪极同步电机噪声与振动……4
参考文献……6

第2章振动力学基础……8
2.1多自由度系统的振动……8
2.1.1多自由度系统的动力学方程……8
2.1.2多自由度系统的自由振动……9
2.1.3多自由度系统的响应……11
2.2连续系统的振动……13
2.2.1薄板的振动……13
2.2.2圆环的振动……15
2.2.3圆柱壳体的振动……18
2.3旋转机械的平衡……21
2.3.1旋转机械的阶次……21
2.3.2单面平衡……21
2.3.3双面平衡……23
参考文献……24

第3章工程噪声基础……26
3.1声场的基本理论……26
3.2声场中的能量……28
3.2.1声能密度……28
3.2.2声能流密度……29
3.2.3声强与声功率……30
3.3声压级和声强级……30
3.4声音的频率……31
3.4.1声学计权……31
3.4.2倍频程……33
3.5平面波在无界空间中的传播……33
3.5.1平面波波动方程及其解……34
3.5.2振速与声压的关系……35
3.5.3声阻抗与介质特征阻抗……36
3.5.4平面声波的能量关系……36
3.6均匀球面声波的传播……37
3.6.1均匀球面声波波动方程及其解……37
3.6.2球面声波的声阻抗率……38
3.6.3球面声波的声强和声功率……39
3.7柱面声波的传播……40
3.8声波的干涉……42
3.8.1叠加原理……42
3.8.2驻波……42
3.8.3声波的相干性……43
3.9声波的辐射……44
3.9.1辐射阻抗……44
3.9.2均匀脉动球源的辐射……46
参考文献……49

第4章工程信号处理基础……50
4.1数学变换……50
4.2信号的采样和截断……54
4.2.1信号的截断和泄露……54
4.2.2窗函数的选择……57
4.2.3信号的采样与混叠……58
4.3工程信号的谱分析……62
4.3.1线性系统的相关函数和功率谱……62
4.3.2频响函数与相干分析……67
4.3.3阶次分析与阶次跟踪……70
参考文献……70

第5章电磁力学基础……71
5.1电磁场……71
5.1.1麦克斯韦方程……71
5.1.2时变电磁场的边界条件……74
5.1.3电磁场动态位……75
5.1.4标量磁位和向量磁位……77
5.2电磁力……80
5.2.1恒定磁场能量……80
5.2.2磁场的有质动力……82
5.2.3体积与应力的关系……85
5.2.4磁场的应力张量……87
5.2.5电机转子在气隙磁场内受的电磁力……89
参考文献……91

第6章同步电机电磁力……92
6.1内转子永磁同步电机的电磁力……92
6.1.1气隙径向磁通量密度解析建模……92
6.1.2定子齿表面径向电磁力解析建模及时空谐波分析……96
6.1.3转子偏心对径向电磁力的影响……103
6.2外转子永磁同步电机的径向电磁力与转矩……108
6.2.1转子表面径向电磁力解析建模及时空谐波分析……108
6.2.2考虑结构特征的电机转矩建模……113
6.2.3轮毂电机电流谐波来源及特征分析……120
6.2.4轮毂电机转矩波动阶次特征分析及幅值预测……130
6.3轴向永磁同步电机的电磁力与转矩……134
6.3.1气隙轴向磁通量密度解析建模……134
6.3.2轴向电磁力解析建模……139
6.3.3转子偏心对轴向电磁力的影响……146
6.3.4轴向永磁同步电机转矩建模……151
6.4车用爪极发电机的电磁力……159
6.4.1气隙径向磁通量密度解析建模……159
6.4.2考虑漏磁及饱和的磁通量密度模型修正……168
6.4.3径向电磁力解析建模……182
参考文献……187

第7章同步电机结构振动……189
7.1径向电机的振动理论……189
7.1.1径向电机各向同性模态解析……189
7.1.2径向电机各向异性模态解析……192
7.1.3径向电机振动响应计算……193
7.2轴向电机的振动理论……195
7.2.1轴向电机模态解析建模……195
7.2.2轴向电机振动响应计算……198
参考文献……200

第8章同步电机声辐射与评价……201
8.1电机声辐射效率……201
8.1.1径向电机声辐射效率……201
8.1.2轴向电机声辐射效率……202
8.2电机噪声计算……203
8.2.1电机声功率……203
8.2.2电机声压级……203
8.3电机声品质……203
8.3.1响度……203
8.3.2尖锐度……204
8.3.3波动度与粗糙度……204
8.3.4语音清晰度……205
参考文献……206

第9章车用电机振动与噪声测试……208
9.1电机振动噪声测试与限值标准……208
9.1.1电机振动噪声测试标准……208
9.1.2噪声限值标准……211
9.2电机模态测试方法及应用……211
9.2.1电机模态测试方法……211
9.2.2模态测试法的应用……215
9.3电机振动噪声测试方法及应用……224
9.3.1测点布置……225
9.3.2测试工况……225
9.3.3数据处理……226
参考文献……227

第10章集中式驱动电机的电磁振动与噪声控制……228
10.1集中式驱动电机声振预测模型……228
10.1.1电磁仿真建模及试验验证……228
10.1.2结构有限元建模与参数识别……229
10.1.3电机声振仿真与试验验证……233
10.2集中式驱动电机声振机理分析……246
10.2.1不同极槽配合集中式驱动电机的电磁力分析……247
10.2.2定转速下不同极槽配合电机振动和噪声分析与比较
10.2.3不同负载和转速下的不同极槽配合电机振动和噪声分析与比较
10.3集中式驱动电机减振降噪方案……259
10.3.1峰值对应的电磁激励来源分析……260
10.3.2基于槽口宽度与永磁体倒角优化的集中式驱动电机噪声控制
10.3.3基于转子斜极与永磁体分段偏移的集中式驱动电机噪声控制
10.4转子偏心对集中式驱动电机振动噪声的影响……275
10.4.1不同偏心形式下的振动噪声分析……275
10.4.2不同偏心量下的振动噪声分析……278
10.4.3动态偏心下的振动噪声试验验证……279
10.5电流谐波对集中式驱动电机振动噪声的影响……281
10.5.1调制引起的电流谐波对高频振动噪声的影响……281
10.5.2低阶电流谐波对振动噪声峰值的影响……282
10.5.3电流谐波对心理声学指标的影响……289
参考文献……291

第11章轮毂驱动电机的电磁振动与噪声控制……293
11.1轮毂驱动电机声振预测模型……293
11.1.1电磁仿真建模及试验验证……294
11.1.2结构有限元建模与参数识别……295
11.1.3电机声振仿真与试验验证……297
11.2轮毂驱动电机声振机理分析……299
11.2.1轮毂驱动电机噪声机理分析……299
11.2.2不同极槽配合轮毂电机的声振特性……302
11.3轮毂驱动电机减振降噪方案……311
11.4电流谐波对轮毂驱动电机噪声与转矩的影响……318
11.4.1电流谐波对轴向轮毂电机噪声的影响与抑制……318
11.4.2电流谐波对外转子轮毂电机转矩波动的影响与抑制
11.5多普勒效应引起的外转子轮毂电机边频噪声分析……329
11.5.1多普勒效应引起边频阶次噪声分析……329
11.5.2多普勒效应引起边频阶次噪声验证……339
参考文献……343

第12章车用爪极发电机的电磁振动与噪声控制……345
12.1爪极发电机声振预测模型……345
12.1.1爪极发电机电磁力仿真计算及分析……345
12.1.2爪极发电机约束模态分析……349
12.1.3爪极发电机电磁振动噪声预测多物理场建模及试验验证
12.2爪极发电机声振机理分析……362
12.2.1三相12极36槽爪极发电机电磁振动噪声机理分析……363
12.2.2不同极槽配合及相数爪极发电机电磁振动噪声规律研究
12.3爪极发电机减振降噪方案……378
12.3.1转子结构参数对电磁力及发电性能的影响分析……378
12.3.2基于转子结构参数多目标优化的减振降噪方法……379
12.3.3基于转子辅助结构设计的车用爪极发电机噪声控制
12.4基于声振信号的爪极发电机故障诊断……401
12.4.1电气故障时爪极发电机的电流及电磁振动噪声分析
12.4.2定子齿高不均匀时爪极发电机的电流及电磁振动噪声分析……416
参考文献……424

电机是电动汽车的核心部件，电机的噪声与振动问题是电动汽车开发中存在的突出问题。相比传统汽车，虽然电动汽车电机的噪声低于内燃机的噪声，但车用电机的噪声频带更宽，且主要噪声频带分布在人耳比较敏感的频率范围内，高频噪声品质更差，导致人的主观感受差。因此，电机噪声研究成为中高端电动汽车市场竞争的关键因素之一。
相比电机在其他行业的应用，车用电机的工作条件随汽车行驶工况变化、载重量变化而更加复杂。汽车从起步到车速对应车用电机全转速范围内工作，车用电机的噪声与振动突出表现为变频变载特征。实际车用电机噪声与振动的控制难点在于电机的变频变载全工况控制，这也是电动汽车噪声与振动开发的热点问题，其理论和应用方法还没有可供借鉴的资料。本书旨在厘清车用同步电机电磁噪声的产生机理及影响规律，并提出切实可行的电磁噪声抑制与优化方法，从而提高电动汽车的舒适性。
与其他电机噪声与振动书籍相比，本书有如下特色：
1）以车用同步电机为对象开展噪声与振动理论方法及实验研究，包括车用永磁同步电机和车用爪极同步发电机两种。本书系统分析了轮毂电机驱动和集中电机驱动系统，重点突出了汽车行驶过程中具有变速变载特点的噪声与振动知识。
2）在电机噪声与振动中一般包括轴承支撑等产生的机械噪声、电磁感应产生的电磁噪声及由冷却带来的流体噪声三类，本书重点介绍电磁力激励作用下通过电机结构辐射产生的噪声。先后介绍了永磁同步电机和爪极电机的电磁场及电磁力产生原理、理论模型及影响电磁力的因素，以及控制参数等。
3）本书是作者及研究团队近20年从事车用电机噪声与振动研究成果的提炼，在车用电机噪声与振动方面提出了一系列创新理论方法，涉及各种同步电机径向电磁力与转矩建模、径向电机/轴向电机的模态解析与声辐射效率、电机的声功率级与声压级及电机声品质、电机振动与噪声测试方法及应用，等等。
4）详述了不同车用同步电机电磁振动与噪声的数值仿真方法，总结了不同极槽配合电机的电磁力与噪声特性，同时还分析了转子偏心、电流谐波、多普勒效应、电机故障等对车用同步电机电磁噪声特性的影响。此外，针对不同车用同步电机，提出了诸多可靠降噪方案，并给出了实际应用案例。
5）介绍了振动力学、工程噪声、工程信号处理及电磁力学相关理论，为车用电机振动噪声理论分析与降噪优化奠定基础。其中，振动力学涉及多自由度系统与连续系统的振动、旋转机械的平衡；工程噪声涵盖声场基本理论、声场能量、不同声波的传播、声波的干涉和辐射；工程信号处理包括基本傅里叶变换、信号采样与截断及谱分析；电磁力学主要是电磁场基本理论。
本书由左曙光、吴旭东编著，左曙光负责统稿和审阅。此外，本书参考了研究团队林福、吴双龙、毛钰、邓文哲等多位博士的研究工作，也得到了课题组胡胜龙、胡潇睿、吴志鹏、刘畅等在读博士研究生及刘明田、武昊、刘泽旭、李凡、屈盛寒等在读硕士研究生的大力协助。本书的研究成果得益于多个“国家自然科学基金”项目及“国家973”项目的支持和帮助，在此表示衷心的感谢！
由于编著者水平有限，书中难免有不妥和错漏之处，恳请读者批评指正。