48V 微混動(dòng)力BSG 電機(jī)噪聲的產(chǎn)生與解決

韓文飛 張貴強(qiáng) 盧本友

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動(dòng)力總成有限公司）

引言

當(dāng)前隨著我國(guó)汽車規(guī)模的增長(zhǎng)加劇了石油對(duì)外依存壓力，在多期降耗政策引導(dǎo)下車企不得不加緊相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。隨著2017 年9 月“雙積分”政策的落地，以及企業(yè)平均油耗在2020 年達(dá)到5 L/100 km 的要求，以傳統(tǒng)車型為主的各大汽車廠商均推出了相應(yīng)“電氣化”路線，而其中48 V 微混動(dòng)力系統(tǒng)作為能夠最為快速實(shí)現(xiàn)且相對(duì)節(jié)油效費(fèi)比最高的一種解決方案，被大多數(shù)廠商列為最主要的降低車型油耗及降低排放的技術(shù)手段。目前在全球已有奔馳、奧迪等廠商上市了相應(yīng)車型，通用、福特、大眾等企業(yè)也均在進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)的研發(fā)，預(yù)計(jì)2020 年左右會(huì)推出新產(chǎn)品；在國(guó)內(nèi)也有吉利、長(zhǎng)安、江淮等自主品牌廠商推出了自行研發(fā)的新車。

作為48 V 系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)（Belt Drive Start Generator，后續(xù)簡(jiǎn)稱BSG 電機(jī)）在系統(tǒng)中承擔(dān)了主要的能量轉(zhuǎn)換工作，為整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)提供了動(dòng)力。而B(niǎo)SG 電機(jī)相較于其它混動(dòng)架構(gòu)所使用的電機(jī)，具有體積小、功率密度高、無(wú)法包裹（風(fēng)冷方案）等不利于控制NVH 特性的因素。微混動(dòng)力系統(tǒng)作為一種仍算“傳統(tǒng)”的車型，較難按照其它新能源車型的方式將電磁噪聲作為一種“電動(dòng)化”的聲音進(jìn)行賣點(diǎn)的宣傳。因此BSG 電機(jī)噪聲控制及解決成為了開(kāi)發(fā)48 V 微混動(dòng)力系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

針對(duì)BSG 電機(jī)噪聲的特性、產(chǎn)生的原因及相應(yīng)的解決措施，本文重點(diǎn)討論了應(yīng)當(dāng)如何在設(shè)計(jì)初期規(guī)避和驗(yàn)證解決BSG 電機(jī)噪聲問(wèn)題的一些方法和手段。

1 背景介紹

1.1 48V 微混動(dòng)力系統(tǒng)及BSG 電機(jī)

48 V 微混動(dòng)力系統(tǒng)（Micro-Hybrid Electric Vehicle）是從90 年代42 V 系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，2011 年由德國(guó)的奧迪、寶馬、戴姆勒、保時(shí)捷以及大眾五家廠商聯(lián)手推動(dòng)了這個(gè)48 V 的概念，制定了LV148 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于整個(gè)48 V 系統(tǒng)做出了明確的定義。而隨著2018 年奧迪新A8 及奔馳新S 級(jí)的上市，48 V 系統(tǒng)已經(jīng)作為其節(jié)能減排非常重要的一個(gè)技術(shù)手段正式推向了市場(chǎng)應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)自主品牌中，也同樣出現(xiàn)了以吉利博瑞GE MHEV、長(zhǎng)安逸動(dòng)藍(lán)動(dòng)版、江淮S5 等為代表的一批應(yīng)用了48 V MHEV系統(tǒng)的混合動(dòng)力車型。

在當(dāng)前主流的48 V 微混動(dòng)力系統(tǒng)中，BSG 電機(jī)的通常規(guī)格為峰值功率10 kW 左右，電機(jī)直徑大約在150～160 mm，重量≤10 Kg。如此小的體積重量需要發(fā)出10 kW 的功率，對(duì)于電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁方案、控制電路等均提出了非常大的挑戰(zhàn)。目前對(duì)于BSG 電機(jī)結(jié)構(gòu)形式，主要分為：

1）爪極式電機(jī)——以Valeo 及SEG 等傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)制造企業(yè)為代表。結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)12 V 汽車發(fā)電機(jī)一致，為爪極式轉(zhuǎn)子配分布式定子，一般按持續(xù)功率大小分為風(fēng)冷和水冷方案；

2）異步電機(jī)——以大陸電子所制造的電機(jī)方案為代表，屬于一種小型化的將電機(jī)與控制器集成在一起的電機(jī)總成。通常為水冷方案，定轉(zhuǎn)子不外露；

3）永磁同步電機(jī)方案——以馬瑞利等企業(yè)的方案為代表，除轉(zhuǎn)子及控制方式不同外，其結(jié)構(gòu)屬性與異步電機(jī)基本一致。

以上3 種方案中，異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)由于其一般為水冷方案，殼體封閉利于包裹，在行業(yè)內(nèi)的技術(shù)較為成熟，相對(duì)有利于控制NVH 特性。但相較于爪極式電機(jī)來(lái)說(shuō)，這2 種方案的成本較高實(shí)際應(yīng)用的企業(yè)較少。爪極式電機(jī)由于其風(fēng)冷方案窗口完全開(kāi)放，對(duì)于NVH 控制尤其需要重視；且其因?yàn)槌杀据^低是目前國(guó)內(nèi)最主流的電機(jī)形式，因此本文主要討論爪極式BSG 電機(jī)的相關(guān)NVH 問(wèn)題及控制方法。

1.2 BSG 電機(jī)結(jié)構(gòu)形式

爪極式BSG 電機(jī)一般分為皮帶輪、前后端蓋、轉(zhuǎn)子總成、定子總成、控制器總成等幾大類部件，如圖1所示。

圖1 BSG 電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其整體結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)12 V 汽車發(fā)電機(jī)基本相似，僅是將原整流橋及調(diào)節(jié)器等電器總成換成了由Mosfet 模組及通訊模塊等構(gòu)成了混合動(dòng)力電機(jī)的電器總成。同時(shí)，為達(dá)到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般在其轉(zhuǎn)子爪極之間插入永磁鐵，構(gòu)成混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)[1]。

1.3 BSG 電機(jī)NVH 特性

傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)的噪聲主要分為機(jī)械噪聲、風(fēng)噪、電磁噪聲3 類[2]。其中機(jī)械噪聲主要以軸承和電刷的噪聲為主，風(fēng)噪主要受到散熱風(fēng)扇葉形、風(fēng)扇和通風(fēng)道及進(jìn)出口結(jié)構(gòu)影響，另外還有一種是由于爪極擾動(dòng)空氣流體引起的高頻噪聲。這些噪聲產(chǎn)生的來(lái)源、機(jī)理等均比較清晰，查找解決的方法也比較成熟。電磁噪聲作為汽車發(fā)電機(jī)的“老大難”問(wèn)題，其產(chǎn)生來(lái)源涉及到電磁學(xué)、聲學(xué)、固體力學(xué)等方面的問(wèn)題，各種來(lái)源之間又互有依存，這個(gè)問(wèn)題一直是汽車發(fā)電機(jī)時(shí)代需重點(diǎn)對(duì)待和解決的問(wèn)題。

爪極式BSG 電機(jī)由于其基本結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)12 V 汽車發(fā)電機(jī)近似，其NVH 特性也基本與發(fā)電機(jī)類似。機(jī)械噪聲和風(fēng)噪在目前的BSG 電機(jī)上出現(xiàn)的機(jī)率較小，實(shí)際研發(fā)過(guò)程中也確實(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這方面的問(wèn)題，因此不再贅述。而在電磁噪聲問(wèn)題方面，BSG 電機(jī)由于其工作特性和性能變得格外突出，本文重點(diǎn)介紹BSG 電機(jī)電磁噪聲產(chǎn)生的原因和解決方案，并針對(duì)一個(gè)實(shí)例進(jìn)行分析說(shuō)明。

2 BSG 電機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及解決方法

電磁噪聲（Electromagnetic Noise）在《中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T8429-96）》中有明確的定義：在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中，由交變磁場(chǎng)對(duì)定子和轉(zhuǎn)子作用，產(chǎn)生周期性的交變力所引起的振動(dòng)產(chǎn)生的輻射聲。一般認(rèn)為電磁噪聲主要為磁路的不平衡磁力及氣隙的電磁力波產(chǎn)生的噪聲、磁通密度飽和或氣隙偏心引起的磁噪聲[3]?？偟膩?lái)說(shuō)，主要是電機(jī)中周期變化的徑向電磁力或不平衡的磁拉力使定子鐵芯發(fā)生磁致伸縮和振動(dòng)所引起。這也是為什么通常所檢測(cè)到的電磁噪聲其所在的階次與定子槽數(shù)一致或處于其諧階次的原因。

產(chǎn)生電磁噪聲的主要原因及解決方案如下：

1）制造和安裝的原因，造成轉(zhuǎn)子外圓與定子內(nèi)圓之間產(chǎn)生氣隙偏心，如圖2 所示：

圖2 電機(jī)氣隙偏心磁力線分布簡(jiǎn)圖

對(duì)于由氣隙偏心引起的電磁噪聲問(wèn)題，主要是通過(guò)改善制造工藝及產(chǎn)品尺寸控制等手段即可較好地解決，目前實(shí)際生產(chǎn)中均已有較好的解決技術(shù)方案和經(jīng)驗(yàn)。

2）定、轉(zhuǎn)子槽都是開(kāi)口的，氣隙磁導(dǎo)在旋轉(zhuǎn)時(shí)也是在變化和波動(dòng)的（所謂的電磁脈動(dòng)），這種電磁脈動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生較多振動(dòng)諧波。這些振動(dòng)諧波會(huì)對(duì)定子鐵芯起到“共振效應(yīng)”，導(dǎo)致其較大的振動(dòng)。這樣定子槽和爪極的形狀會(huì)直接決定氣隙中的磁通密度和引入諧波的頻率及振幅范圍，從而決定產(chǎn)生“共振”的轉(zhuǎn)速范圍和強(qiáng)度。

對(duì)于由定子槽及爪極設(shè)計(jì)產(chǎn)生的電磁噪聲問(wèn)題，主要通過(guò)在爪極外表面上的邊緣增加“磁導(dǎo)角”的方式解決，且通常設(shè)計(jì)為切入面與切出面倒角角度大小距離不同，這樣有利于避免對(duì)稱引起的共振問(wèn)題。有效解決電磁噪聲問(wèn)題。

3）電磁方案設(shè)計(jì)不佳也是產(chǎn)生電磁噪聲的主要原因。傳統(tǒng)的3 相發(fā)電機(jī)從成本考慮一般設(shè)計(jì)為36槽定子配合6 對(duì)極轉(zhuǎn)子。這樣的設(shè)計(jì)在先天上存在電磁脈動(dòng)大，紋波電壓高等缺陷，運(yùn)行工況下無(wú)論如何無(wú)法避免定子振動(dòng)大的缺陷。

針對(duì)電磁方案主要的解決措施為改變定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，由3 相電機(jī)變?yōu)? 相（雙3 相）有效降低紋波電壓和電磁脈動(dòng)，從根本上解決電磁噪聲大的問(wèn)題，如圖3 所示。

圖3 3 相電機(jī)與6 相電機(jī)電磁噪聲比較

4）對(duì)于BSG 電機(jī)來(lái)說(shuō)，除了由于傳統(tǒng)意義的制造、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等因素導(dǎo)致的電磁力不平衡之外，由于其由被動(dòng)的整流發(fā)電機(jī)變?yōu)榱酥鲃?dòng)控制的電動(dòng)機(jī)，控制方式特別是控制方式的轉(zhuǎn)換成為了一個(gè)新的產(chǎn)生異常電磁噪聲的重要機(jī)理。

當(dāng)前主流的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制方式一般為PWM 控制和全波（Full Wave）控制2 種方式。PWM 控制更精確，控制效率更高；但其受到電機(jī)轉(zhuǎn)速和控制器中Mosfet 元件所限，不能達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速。全波控制方式更簡(jiǎn)單，電機(jī)輸出功率更大，更適用于高轉(zhuǎn)速工況下的控制運(yùn)行。由于BSG 電機(jī)既要承擔(dān)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)作用又要在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)助力，電機(jī)轉(zhuǎn)速由0～5 000 rpm 下希望其具有良好的控制精度和效率，此時(shí)通常會(huì)采用PWM 控制方式；而B(niǎo)SG 電機(jī)隨發(fā)動(dòng)機(jī)共同運(yùn)轉(zhuǎn)，又要求其在電機(jī)轉(zhuǎn)速18 000 rpm 時(shí)仍能正常工作發(fā)電，此時(shí)電機(jī)只能采用全波控制方式。2 種控制方式的不同特別是工況的轉(zhuǎn)換對(duì)于電磁脈動(dòng)的形成和對(duì)定子的振動(dòng)諧波均產(chǎn)生了非常大的影響[4]。

目前來(lái)說(shuō)沒(méi)有較好的解決方案確保解決該問(wèn)題，只能在開(kāi)發(fā)過(guò)程中盡早進(jìn)行相關(guān)NVH 試驗(yàn)并及時(shí)修改軟件參數(shù)及電機(jī)標(biāo)定，并通過(guò)臺(tái)架及整車試驗(yàn)確保最終問(wèn)題的解決。

3 BSG 電機(jī)電磁噪聲解決實(shí)例

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中研發(fā)部門認(rèn)為某型BSG 電機(jī)（定子96 槽，轉(zhuǎn)子8 對(duì)極）電磁噪聲較大，經(jīng)過(guò)整車及臺(tái)架測(cè)量，其坎貝爾圖如圖4 所示。

從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到，在一定轉(zhuǎn)速以下，由PWM控制方式使轉(zhuǎn)子電磁力與定子各槽之間分別產(chǎn)生了不同的電磁脈動(dòng)，其產(chǎn)生的定子共振呈一個(gè)特殊的扇形分布，且在-24 階尤其明顯。而當(dāng)過(guò)了這個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)后，電機(jī)轉(zhuǎn)入全波控制方式，全波波形加載在定子線圈后造成定子總成明顯的異常振動(dòng)。經(jīng)過(guò)電磁仿真與分析，初步判斷其來(lái)源于電磁方案固有設(shè)計(jì)，在Mosfet 控制開(kāi)關(guān)頻率固定在10 kHz 時(shí)會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)諧波的共振，引起定子線圈較大的激勵(lì)作用，最終導(dǎo)致電磁噪聲過(guò)大。

整改措施手段為將Mosfet 控制開(kāi)關(guān)頻率由10 kHz 變?yōu)?2 kHz，從根本上避開(kāi)產(chǎn)生共振的激勵(lì)。最終測(cè)試顯示結(jié)果較好，有效地解決了電磁噪聲問(wèn)題，如圖5 所示。

圖5 BSG 電機(jī)電磁噪聲改善結(jié)果

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)電磁噪聲產(chǎn)生的原因、機(jī)理及解決方案的研究及討論，對(duì)于48 V 微混動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)特別是NVH 問(wèn)題的解決具有較好的參考及借鑒意義。