王艷陽 楊馥寧 商福興

（1.西華大學(xué)，汽車與交通學(xué)院，成都 610039；2.西華大學(xué)，汽車工程四川省高校重點實驗室，成都 610039）

主題詞：開關(guān)磁阻電機 不平衡徑向力 輪轂驅(qū)動 整車振動 振動控制

1 前言

輪轂驅(qū)動式電動汽車的驅(qū)動電機布置在輪轂內(nèi)，其結(jié)構(gòu)緊湊、傳動鏈短，方便應(yīng)用線控技術(shù)，在電動汽車的發(fā)展中受到越來越多的關(guān)注[1-4]。輪轂電機作為輪轂驅(qū)動電動汽車的關(guān)鍵驅(qū)動部件，其性能直接決定了車輛的動力學(xué)性能，而開關(guān)磁阻電機啟動扭矩大、調(diào)速范圍寬、能量轉(zhuǎn)換效率高，能較好地滿足輪轂電動車的要求，因而在電動車上的應(yīng)用受到重視[5-8]。然而，由于開關(guān)磁阻電機的振動問題使電動車平順性與操縱穩(wěn)定性的矛盾激化，影響了車輛的舒適性和安全性，這也是其沒有被廣泛接受的主要原因之一[9-10]。造成開關(guān)磁阻電機振動的一個主要因素是電機的不平衡徑向力[11-13]。由于不平衡徑向力不經(jīng)減振而直接作用在車輪上，不但會惡化電機的工作環(huán)境、降低其疲勞壽命，而且會增大輪胎動載荷，降低其抓地附著能力，增加汽車的側(cè)翻風(fēng)險。較差的平順性會降低駕駛員的疲勞極限，影響行駛安全，而過大的輪胎動載荷會造成輪胎故障甚至爆胎，另外，汽車側(cè)翻也是一種嚴(yán)重的交通事故。

針對上述問題，本文通過對國內(nèi)外開關(guān)磁阻電機振動問題的研究進行綜述，重點分析開關(guān)磁阻輪轂電機不平衡徑向力導(dǎo)致的整車振動問題，以期進一步明確開關(guān)磁阻輪轂電機噪聲和振動的產(chǎn)生機理及其控制方法，為解決開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力導(dǎo)致的電動汽車平順性與操縱穩(wěn)定性矛盾惡化的問題提出合理的解決思路，并對有待進一步解決的問題進行討論，對未來的研究方向進行展望。

2 電機振動和噪聲的產(chǎn)生因素及機理

電機振動與噪聲的主要來源包括3個方面：機械噪聲、空氣噪聲和電磁噪聲[14-16]。機械噪聲主要是指軸承噪聲、碳刷與集電環(huán)境摩擦產(chǎn)生的噪聲以及轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的噪聲。針對機械噪聲需要提高軸承加工精度，減小安裝誤差，進行嚴(yán)格的動平衡校驗，采用牢固的碳刷座結(jié)構(gòu)等方法予以控制?？諝庠肼曋饕怯捎陲L(fēng)扇轉(zhuǎn)動，使空氣流動、撞擊、摩擦而產(chǎn)生的。對于空氣噪聲的抑制，需要通過風(fēng)葉和風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計降低空氣渦流，使風(fēng)路暢通，減小空氣的撞擊和摩擦，或者采用隔聲或吸聲材料。電磁噪聲是指作用在電機定、轉(zhuǎn)子空氣隙中的交變電磁力導(dǎo)致的電機定、轉(zhuǎn)子振動及噪聲。電磁力包括徑向分量和切向分量兩個部分。電磁力徑向分量在引起電機振動及噪聲方面起主要作用，它使定子鐵心產(chǎn)生徑向振動，徑向振動產(chǎn)生的噪聲為電機電磁噪聲的主要成分。而在電機氣隙存在偏心的情況下，電機不平衡徑向力將會進一步加劇電機振動。在工程應(yīng)用中，由于軸向載荷、加工誤差等原因，開關(guān)磁阻電機的氣隙偏心率可高達10%[17-18]。而在實際運行工況中，受外界激勵、摩擦力等因素影響，電機的相對偏心率甚至可達30%～60%[19-20]。因此，本文重點研究開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力所導(dǎo)致的電機與輪轂驅(qū)動電動車的耦合振動及其抑制方法。

美國學(xué)者Cameron D E及其研究團隊于1992年系統(tǒng)研究了開關(guān)磁阻電機的振動和噪聲產(chǎn)生機理，明確指出由電機的定子與轉(zhuǎn)子間的徑向磁拉力導(dǎo)致的定子徑向形變是電機振動和噪聲的主要來源。而且，當(dāng)定子徑向形變頻率與定子固有頻率接近一致時會導(dǎo)致非常嚴(yán)重的振動和噪聲[11]。同時，文獻[21]、文獻[22]的研究也表明，由氣隙偏心造成的開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力和扭矩波動是導(dǎo)致電機振動和噪聲的主要因素。

為了研究氣隙偏心導(dǎo)致的不平衡徑向力，美國學(xué)者Iqbal Husain等人采用解析的方法推導(dǎo)出一種開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力的計算公式[23]。文獻[9]、文獻[24]則預(yù)測了開關(guān)磁阻輪轂電機的噪聲輻射。韓國學(xué)者Ha K H、Hong JP等人采用有限元分析方法從轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的角度分析了開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子振動軌跡，并對轉(zhuǎn)子振動的穩(wěn)定性進行了估計[25]。研究結(jié)果表明，在電機氣隙靜態(tài)偏心為10μm、不平衡力矩為10 g·mm的工況下，開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力作用下電機轉(zhuǎn)子的徑向運動軌跡長度最高可達60μm，軸向振動最高可達40μm。

上述工作以研究電機本身的振動機理為主，對開關(guān)磁阻電機作為輪轂電機的振動特性研究較少。在車輛實際運行工況中，路面激勵會導(dǎo)致電機定子和轉(zhuǎn)子的振動，從而導(dǎo)致氣隙偏心。而氣隙偏心會產(chǎn)生電機不平衡徑向力，不平衡徑向力又加劇了定子和轉(zhuǎn)子的振動，從而使氣隙偏心惡化。因此，路面激勵、氣隙偏心和電機不平衡徑向力相互耦合。這種復(fù)雜的機電磁耦合作用會產(chǎn)生較大的電機不平衡徑向力。不平衡徑向力不經(jīng)減振直接作用在車輪上，會導(dǎo)致車輪和車身的振動，車輪和車身的振動又直接影響輪轂電機的振動，三者相互耦合。把開關(guān)磁阻電機從車輛行駛工況中孤立出來，單獨研究其振動機理，無法準(zhǔn)確反映電機的實際振動特性，更無法進一步探求電機、車輪和車身系統(tǒng)間的機電耦合振動機理。

3 車輪與電機耦合振動的關(guān)系及其頻率特性

汽車在行駛時，開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力直接作用在輪轂上，影響整車的舒適性和安全性。文獻[26]、文獻[27]分析了開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力對車輛舒適性的影響，明確了路面激勵、電機氣隙偏心、不平衡徑向力與車輪振動的耦合關(guān)系，如圖1所示。

圖1 路面、車輪與電機的耦合振動關(guān)系[26]

文獻[26]建立了包含車輪、懸架和轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)的輪轂驅(qū)動電動汽車整車動力學(xué)模型，初步探索了開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力對車輛舒適性和穩(wěn)定性的影響。其模型原理如圖2所示?？紤]到電機不平衡徑向力Fv作用于電機轉(zhuǎn)子和定子之間，根據(jù)車輪各部件與轉(zhuǎn)子和定子的機械連接關(guān)系，將其簡化為兩部分質(zhì)量：旋轉(zhuǎn)組件質(zhì)量mu（轉(zhuǎn)子、輪胎、輪轂和制動盤等）和非旋轉(zhuǎn)組件質(zhì)量mus（定子、電機殼體、支撐軸和制動鉗等），中間由輪轂軸承相連接，建立車輪質(zhì)量-彈簧模型。電機定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙偏心則為旋轉(zhuǎn)組件和非旋轉(zhuǎn)組件之間的相對位移，由此產(chǎn)生的電機不平衡徑向力作用在車輪旋轉(zhuǎn)組件和非旋轉(zhuǎn)組件之間，其車輛頻率響應(yīng)如圖3所示。由圖3可見，在開關(guān)磁阻電機垂向激勵下，整車的簧載質(zhì)量、側(cè)傾角和俯仰角的響應(yīng)峰值約在1.2 Hz處，而輪胎跳動的響應(yīng)峰值約在6.5Hz處。因此，電機垂向激勵可以導(dǎo)致車身側(cè)傾運動和輪胎跳動的共振，整車的穩(wěn)定性和安全性降低。由開關(guān)磁阻電機垂向激勵引起的共振問題有必要深入研究。

圖2 輪轂電機及其質(zhì)量彈簧模型[26]

圖3 車輛在電機垂向激勵下的幅值響應(yīng)[26]

4 車輪與電機耦合振動對整車性能的影響

在上述研究的基礎(chǔ)上，文獻[26]在假定開關(guān)磁阻輪轂電機偏心率為10%的情況下，研究了不平衡徑向力對車輛安全性的影響。車速為60 km/h時，開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力超過3 kN，如圖4所示。圖5所示為車輛側(cè)翻因子（Rollover Critical Factor，RCF）在考慮和不考慮電機不平衡徑向力兩種工況下，對魚鉤轉(zhuǎn)向的時域響應(yīng)。由圖5可見，在不平衡徑向力激勵下，車輛的側(cè)翻因子增大17.80%。該結(jié)果表明，開關(guān)磁阻電機不平衡力降低了車輛的側(cè)向穩(wěn)定性和防側(cè)翻特性。

圖4 開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力[26]

圖5 車輛側(cè)翻因子對魚鉤轉(zhuǎn)向的時域響應(yīng)[26]

文獻[27]在隨機路面工況下，研究了開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力對車輛舒適性、行駛安全性和電機安全性的影響，如表1所示。研究表明，在考慮電機不平衡徑向力的情況下（Case2、Case4）電機氣隙、車身垂向加速度和輪胎動載荷都有一定程度的提高。該結(jié)果表明電機不平衡徑向力會降低車輛的舒適性、行車安全性和電機的安全性。

表1 車輛振動分析工況表[27]

5 不平衡徑向力導(dǎo)致的電機振動和噪聲的控制

5.1 傳統(tǒng)控制方法

傳統(tǒng)的電機振動和噪聲控制研究主要包括電機本體結(jié)構(gòu)的測試、優(yōu)化及電機控制器的優(yōu)化兩個方面。

在電機本體結(jié)構(gòu)的測試、優(yōu)化方面，主要借助于理論計算和試驗分析，研究電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其振動特性的影響，明確電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低電機本體的振動和噪聲。美國學(xué)者Garrigan及其研究團隊，深入分析了開關(guān)磁阻電機徑向力的靜態(tài)特性，給出了電機徑向力的預(yù)測模型[28]。研究結(jié)果表明，并聯(lián)繞組下電機徑向力遠(yuǎn)低于串聯(lián)繞組下的徑向力，因此，可以通過改變繞組方式控制電機振動和噪聲。韓國學(xué)者Yang H Y等人通過改變轉(zhuǎn)子的幾何結(jié)構(gòu)來降低扭矩波動[29]。文獻[30]～文獻[32]也針對電機的振動在電機本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上開展了相關(guān)研究。東北大學(xué)張義民教授的科研團隊在不考慮路面激勵的情況下分析了開關(guān)磁阻電機徑向力對電動車舒適性和安全性的影響[33-34]。清華大學(xué)馬噢、李建秋教授的研究團隊對評定開關(guān)磁阻電機振動特性的兩種激勵方法進行了比較研究。同時，香港理工大學(xué)的Xue X D和Cheng KW E等學(xué)者、哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙桂范教授和江蘇大學(xué)的江暉、趙德安教授的研究團隊也在這方面開展了大量的研究工作，取得了豐碩的成果[35-38]。

在電機控制器的優(yōu)化方面，可運用合適的控制算法，優(yōu)化電機控制電流、導(dǎo)通角度等控制參數(shù)，以抑制開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力及其電機振動。美國學(xué)者Iqbal Husain等人早在1996年就提出通過脈沖寬度調(diào)制（PulseWidth Modulation，PWM）方法實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機的最小扭矩波動控制[39]。日本Aisin Seiki公司的Hiroyuki Inagaki等人采用2自由度的H∞控制算法設(shè)計開關(guān)磁阻電機控制器，用于抑制電機扭矩波動和不平衡徑向力引起的電動車傳動系統(tǒng)的振動[40]，控制框圖如圖6所示。

圖6 開關(guān)磁阻電機2自由度H∞控制框圖[40]

華中科技大學(xué)詹瓊?cè)A教授及其科研團隊較早研究了電動車用開關(guān)磁阻電機的設(shè)計及控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，取得了一系列的研究成果，如文獻[41]研究了開關(guān)磁阻電機的定子振動模態(tài)，指出加固繞組和采用周向散熱筋結(jié)構(gòu)有利于降低電機噪聲，文獻[42]則對低轉(zhuǎn)矩脈動、低噪聲的開關(guān)磁阻電機控制器進行了研究，文獻[43]～文獻[45]也針對電機的振動對控制器進行了優(yōu)化設(shè)計。圖7所示為詹瓊?cè)A團隊研制的開關(guān)磁阻電機驅(qū)動的電動汽車。

上述工作主要通過改進電機的本體結(jié)構(gòu)和優(yōu)化電機控制器來抑制電機的振動，而把開關(guān)磁阻電機作為輪轂電機納入整車系統(tǒng)，從整車系統(tǒng)的角度考慮電機振動的影響及其控制的研究較少。開關(guān)磁阻電機作為電動車的關(guān)鍵驅(qū)動部件直接安裝在車輪上，電機和車輪一體轉(zhuǎn)動，不僅受到路面激勵和不平衡載荷等因素的影響，而且怠速運行以及啟停工況頻繁，運行工況復(fù)雜。電機的振動一方面會直接引起車輪的振動，增大輪胎動載荷，降低附著能力，增加汽車側(cè)翻風(fēng)險，另一方面會直接通過懸架系統(tǒng)傳遞給車身，影響行駛平順性。而割裂電機與車身和車輪的耦合振動關(guān)系，單獨研究電機的振動影響及控制方法，無法從整車系統(tǒng)層面提高輪轂驅(qū)動電動汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性。

圖7 開關(guān)磁阻電機驅(qū)動電動車[41]

5.2 針對電機驅(qū)動系統(tǒng)的特殊減振系統(tǒng)

由于輪轂電機的引入，整車的非簧載質(zhì)量會顯著增加，進而使車輪轉(zhuǎn)動慣量顯著增加。輪胎載荷增大，一方面會降低整車的行駛安全性，另一方面會影響整車的加速性能。針對非簧載質(zhì)量增加這一問題，文獻[46]～文獻[49]分析了懸架結(jié)構(gòu)的非線性特性對輪邊驅(qū)動電動車的影響。研究結(jié)果表明，輪轂電機的引入會增加整車非簧載質(zhì)量（約15 kg），不僅影響車輪行駛安全性，而且會降低整車平順性。為了降低整車非簧載質(zhì)量，文獻[48]提出了一種動態(tài)吸振形式的輪邊驅(qū)動系統(tǒng)，通過在轉(zhuǎn)向節(jié)上加裝動力吸振器，將電機質(zhì)量轉(zhuǎn)換為吸振器質(zhì)量，不僅可以直接降低非簧載質(zhì)量，還可以利用分離出來的電機質(zhì)量進行吸振。文獻[50]將定子做成中空，通過減振裝置分別與輪軸和車身相連，使輪轂電機的定子質(zhì)量由非簧載質(zhì)量轉(zhuǎn)移至簧載質(zhì)量，同時通過系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，降低輪胎動載荷的同時提高了車輛的平順性。文獻[51]通過引入萬向節(jié)，也達到降低非簧載質(zhì)量的目的。上述工作的基本思路是將輪轂電機的一部份質(zhì)量抽離出來作為減振器的質(zhì)量，從而降低整車非簧載質(zhì)量。

5.3 借助新型懸架的控制方法

隨著輪轂電機和新型懸架技術(shù)的發(fā)展，輪邊驅(qū)動結(jié)構(gòu)集成了越來越多的功能。法國米其林公司率先提出了“主動輪”技術(shù)。該技術(shù)將轉(zhuǎn)向、制動和懸架功能集成到輪轂電機中（見圖8），用車輪內(nèi)置懸架代替?zhèn)鹘y(tǒng)車上的機械懸架，為有效解決輪轂電機振動導(dǎo)致的汽車舒適性、安全性問題提供了新思路。

圖8 米其林主動輪系統(tǒng)

文獻[52]提出了一種由雙電機構(gòu)成的特殊輪邊驅(qū)動結(jié)構(gòu)，如圖9所示。當(dāng)兩個電機驅(qū)動力方向不同時，雙電機結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生垂直分量，直接用于驅(qū)動懸架降低或者升高，從而實現(xiàn)懸架的主動控制；當(dāng)兩個電機驅(qū)動力方向相同時，其輸出直接用于車輛驅(qū)動。

圖9 克萊姆森大學(xué)的主動輪原理方案[52]

Mingchun Liu及其研究團隊采用主動懸架結(jié)合電機可調(diào)阻尼器的方法，通過模糊PID和最優(yōu)控制實現(xiàn)電機和整車的振動主動控制[53]。圖10所示為其輪轂電機可調(diào)阻尼器及懸架結(jié)構(gòu)，圖11所示為其相應(yīng)的控制策略框圖。

圖10 輪轂電機可調(diào)阻尼器及懸架結(jié)構(gòu)[53]

圖11 整車綜合控制策略[53]

此外，Massimo C及其研究團隊針對輪轂電機的跳動問題，進行了懸架匹配設(shè)計和電機應(yīng)力強度方面的研究[54]。文獻[55]、文獻[56]從電機、車輪和車身的機電耦合方面分析了開關(guān)磁阻輪轂電機不平衡徑向力對車輛舒適性和安全性的影響，并借助電磁主動懸架抑制電機不平衡徑向力，提高車輛的舒適性和安全性。

綜上所述，新型懸架技術(shù)是一種從電機、車輪和車身耦合振動的全新角度系統(tǒng)考慮電機振動對車輛平順性和操縱穩(wěn)定性的影響及控制的新方法，為解決由電機不平衡徑向力導(dǎo)致的整車平順性和操縱穩(wěn)定性惡化的問題提供了新思路。在車輛實際運行工況中，由于電機和輪胎的非線性特性及路面激勵的隨機特性，電機、車輪和車身系統(tǒng)表現(xiàn)出復(fù)雜的耦合關(guān)系，使得這類機電振動問題的研究相對困難，因此研究者較少。

6 存在的問題及發(fā)展趨勢

開關(guān)磁阻電機在輪轂驅(qū)動電動車上有著廣闊的應(yīng)用前景，盡管國內(nèi)外對開關(guān)磁阻電機的振動和噪聲產(chǎn)生機理及其控制的研究取得了很大的進展，但目前尚存在幾個方面的問題有待進一步解決：

a.開關(guān)磁阻電機不平衡徑向力的計算研究。開關(guān)磁阻電機具有機電磁多場強耦合特性，其不平衡徑向力受電機氣隙偏心、定轉(zhuǎn)子重合角、磁場飽和特性以及扭矩波動等多種非線性因素的影響。而開關(guān)磁阻電機作為輪轂電機時，路面激勵及頻繁的怠速、啟動工況又加劇了上述因素的影響。

b.不平衡徑向力對電動汽車平順性和操縱穩(wěn)定性的影響特性分析。如何明確不平衡徑向力與路面激勵、氣隙偏心等關(guān)鍵參數(shù)的耦合度和相互影響關(guān)系，探求電機、車輪和車身耦合振動機理，是開關(guān)磁阻輪轂電機研究的關(guān)鍵問題。

c.借助新型懸架技術(shù)抑制電機不平衡徑向力、控制電機振動的研究。通過本體結(jié)構(gòu)和控制器的優(yōu)化進行電機振動控制，是目前電機控制領(lǐng)域普遍采用的方式。而從電機、車輪和車身這一機電耦合系統(tǒng)出發(fā)，以提高輪轂驅(qū)動電動汽車各工況下的綜合性能為目標(biāo)，研究新型懸架的車身姿態(tài)控制，抑制電機不平衡徑向力，修正氣隙偏心，在保證車身平穩(wěn)的同時實現(xiàn)輪胎的良好接地性，提高輪轂驅(qū)動電動汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性，是開關(guān)磁阻輪轂電機振動控制的發(fā)展趨勢。