本文講述的是馬格德堡大學(xué)的一個工作小組，通過使用光學(xué)振動測量技術(shù)獲取外部轉(zhuǎn)子電機的振動響應(yīng)，以優(yōu)化輪轂電機的聲學(xué)特性。
1、近輪電驅(qū)動的研究
自2011年以來，電動汽車的研究日益成為德國馬格德堡大學(xué)(Otto von Guericke University Magdeburg)的研究重點。Editha工作小組以Smart兩座版MC450為基礎(chǔ)開發(fā)了幾個電驅(qū)動概念。其目的是開發(fā)一種適用于大眾駕駛的原型，利用輪邊驅(qū)動概念獲得更好的空間利用率，為牽引蓄電池留出更大空間。
圖1用于研究車輛上的輪轂電機(? OVGU)
2012年，概念車Editha 1完成，并獲得道路行駛的正式批準(zhǔn)和認可。驅(qū)動概念的核心是兩個直流電動機，通過一個單級行星齒輪直接剛性安裝在后軸上。這一概念得到一進步發(fā)展后，Editha 2使用永磁同步電機取代直流電機，并改善傳動系統(tǒng)。到了Editha 3，輪轂電機又取代了永磁同步電機，如圖1所示。這種輪轂電機是由移動系統(tǒng)研究所開發(fā)。這樣做的目的是為了使整個傳動系統(tǒng)和汽車內(nèi)部的行星齒輪更為緊湊，從而為電池提供更大空間。另一個優(yōu)點是可獨立控制每個車輪，實現(xiàn)更智能的車輛動力學(xué)控制。所研制的輪轂電機為外置轉(zhuǎn)子電機，通過氣隙繞組與額外線槽繞組相結(jié)合，實現(xiàn)高功率密度。
由于采用分散驅(qū)動概念，Editha三款車的簧下質(zhì)量都增加了。附加質(zhì)量對車輪的影響是力學(xué)研究所試驗和仿真研究課題之一。除了垂直動力學(xué)受到影響外，輪轂電機的聲音輻射也是一個重要問題。因為電機被放置在輪轂上，其較大的扁平部件會導(dǎo)致噪音增加。
盡管通常認為電動機的噪音比內(nèi)燃機小，但還是非常有必要去評估電動汽車的聲學(xué)性能。一方面，電機發(fā)出的高頻噪音，即使在低音量下，也易引起駕乘人員的不適。另一方面，其它噪聲源也都不再受到掩蓋，將一一暴露出來。
由于使用了輪轂電機，因此車身的聲學(xué)屏蔽就不存在了，被動側(cè)的測試很難實現(xiàn)。試驗分析旨在為復(fù)雜的仿真模型提供驗證基礎(chǔ)，從整體角度考慮連鎖反應(yīng)，這意味著需要將所有相關(guān)的激勵源和傳遞現(xiàn)象考慮在內(nèi)，利用已驗證的數(shù)值模型和計算機輔助優(yōu)化技術(shù)來改善輪轂原型的聲學(xué)特性。
2、使用掃描式激光測振儀進行結(jié)構(gòu)研究
生成整個系統(tǒng)的仿真模型后，這些模型在穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中使用常規(guī)的試驗振動分析驗證，包括零部件級和裝配級驗證。本次實驗使用的是Polytec公司的一維掃描式激光多普勒測振儀，如圖2(左)所示。
圖2 用于驗證測試的實驗裝置(左)和實驗及數(shù)值振動分析的結(jié)果(右)(? OVGU)
測量時，使用高分子聚合線將輪轂電機懸吊在鋁型材框架上，因為這種自由-自由安裝特別適合對比數(shù)值模型與試驗振動分析結(jié)果。圖2（左）顯示了該被測電機的安裝是典型的被測物安裝方式。其他邊界條件，如夾緊或固定連接，在有限元模型中很難與實驗[2]的邊界條件統(tǒng)一。實驗?zāi)康氖鞘狗抡婺Ｐ秃蛯嶒災(zāi)Ｐ椭g能夠很好地匹配，而由于邊界條件的影響而產(chǎn)生的不確定性會導(dǎo)致仿真模型與試驗?zāi)Ｐ推ヅ浠ㄙM大量的時間。
為了避免外部激勵與被測結(jié)構(gòu)因耦合產(chǎn)生的不確定的邊界條件，我們使用力錘激勵，以保證自由邊界條件不變。激勵必須是可重復(fù)的，對測量網(wǎng)格的每個掃描點和相應(yīng)的平均值，都要重復(fù)激勵。因此，將力錘的頭部安裝在電動激振器上，請見圖2左側(cè)的藍色橢圓框內(nèi)。
圖2(右)是輪轂電機試驗結(jié)果(第一行)與仿真計算結(jié)果 (中間行)的對比，5個明顯的自然頻率結(jié)果。比對結(jié)果是由激光測振儀測試的電機外表面。我們可以看出，盡管部件間有若干裝配連接，仿真模型依然能夠很好地預(yù)測復(fù)雜整體系統(tǒng)的振動響應(yīng)。在這種情況下，固有頻率和固有振動模態(tài)都有很好的匹配。
另在圖2右第三行顯示了整個輪轂電機的特征模態(tài)，與激光測振手段相比，數(shù)值計算能獲得整個系統(tǒng)更好的振動特性數(shù)據(jù)。第一列和第三列顯示的是側(cè)面測試結(jié)果，一些關(guān)鍵區(qū)域未被測量，因此不代表整個系統(tǒng)的特征模態(tài)。這體現(xiàn)了數(shù)值振動分析的價值，因其提供被測結(jié)構(gòu)所有領(lǐng)域的信息。盡管如此，我們?nèi)匀唤ㄗh用實驗數(shù)據(jù)來驗證仿真模型的預(yù)測能力。
3、測試原理及實驗搭建
對于發(fā)動機聲振特性的評估，了解其整個系統(tǒng)在運行期間的性能尤為重要。因此，我們對電驅(qū)輪轂電機不同穩(wěn)態(tài)工作點進行了振動實驗分析，為[3,4]提出的整體仿真方法獲得廣泛的驗證依據(jù)。
一維掃描式激光測振儀用于測量輪轂電機的工作振動。電機結(jié)構(gòu)由電氣激勵，因此電機必須工作以進行工作振動測量。由于輪轂電機設(shè)計為外置轉(zhuǎn)子電機，轉(zhuǎn)子作為電機殼體與輪輞一起旋轉(zhuǎn)，用傳統(tǒng)的加速度計無法測量轉(zhuǎn)子的局部面外振動。
因此，我們在PSV前安裝了一個可旋轉(zhuǎn)的玻璃棱鏡。因此，即使測振儀并不旋轉(zhuǎn)，仍然可以按照提前設(shè)置好的測量網(wǎng)格對旋轉(zhuǎn)表面進行測量，這就是Polytec用于測量的反旋器。另有一個固定單點式激光測振儀用于提供參考信號，目的是為每個測點提供準(zhǔn)確的相位參考。實驗搭建如圖3所示。
圖3輪轂電機工作時的振動分析實驗搭建(? OVGU)
電動閘(見圖3左)用于施加不同的負載，以實現(xiàn)不同的穩(wěn)態(tài)工作點。在樣機階段，輪轂電機的電路被安裝在定子外部。而在后期使用時，其將被集成至輪轂電機。
反旋器玻璃棱鏡的角速度必須與被測物的角速度保持完全同步，本次試驗使用的是增量編碼脈沖為1024的增量編碼器來完成。編碼器與被測結(jié)構(gòu)之間必須是抗扭剛性連接，否則不能準(zhǔn)確檢測被測結(jié)構(gòu)的角度位置，也不能以正確的速度驅(qū)動棱鏡，造成測量實際位置與預(yù)設(shè)測點位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而位置參考不再正確。反旋器、掃描式激光測振儀和用于參考的單點式激光測振儀均被安裝在可調(diào)底座上，它們都必須與被測結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸精確對準(zhǔn)，以確保測試結(jié)果真實可靠。
4、測試結(jié)果
本節(jié)是光學(xué)測振方法的測試結(jié)果，具有典型意義。
圖4測量表面上不同工作點的平均振幅譜圖(? OVGU)
圖4顯示的是不同負載和速度變化情況下，測量網(wǎng)格各點的平均振動幅值的頻響函數(shù)。正如預(yù)期，高負載和高速度均會導(dǎo)致更明顯的聲學(xué)特性，我們可以清楚地看到電機典型的聲頻組成。此外，在3.7 ~ 4kHz的頻率范圍具有很高的幅值。
圖5顯示了穩(wěn)態(tài)怠速時的典型結(jié)果及平均頻譜圖，及最為明顯的振動模態(tài)。值得注意的是，系統(tǒng)存在對稱和非對稱兩種振動模式。
由于轉(zhuǎn)子采用對稱設(shè)計，預(yù)期僅有對稱的工作模態(tài)，如同在穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中測量所得，如圖2所示。非對稱模態(tài)是非對稱電激勵或非對稱邊界條件的明確標(biāo)志。
圖5怠速時，具有明顯振動模態(tài)的所有測點的平均振動幅頻譜(?OVGU)
作為對比，圖6顯示了在同等速度和特定扭矩下的工作模態(tài)。與圖5相反，它沒有顯示出對稱的振動模態(tài)。圖6所示工作點的電激勵力明顯較高，可以得出電機運行時的非對稱振動模式可能是由空間上不均勻的電激勵所引起的。
圖6穩(wěn)定運行時，具有明顯振動模式的測點的平均振動幅值(?OVGU)
由于輪轂電機的光學(xué)測量是在運行期間進行，在目前情況下，可為明顯的聲學(xué)問題做出解釋，但仍待進一步研究。一旦問題得以解決，試驗工作模態(tài)分析就可反復(fù)進行。所得結(jié)果可為整體模擬方法提供初步驗證依據(jù)。
5、總結(jié)與展望
本文介紹的是作為特殊電驅(qū)動裝置的新型輪轂電機在運行過程中的光學(xué)振動分析，試驗地點為德國馬格德堡大學(xué)。試驗結(jié)果表明，采用光學(xué)振動測量可以有效地參數(shù)化聲振特性及解決噪音問題。
目前，工廠所制發(fā)動機與本文測量的電機有很大不同：從磁路的基本設(shè)計到外部幾何形狀，再到電機主要部件的材料選擇(鋁、泡沫鋁、纖維增強復(fù)合材料)。后續(xù)對新樣機的試驗?zāi)B(tài)分析將為整體模擬方法提供更為廣泛的驗證基礎(chǔ)。我們的目的是使用合格的方法來全面了解系統(tǒng)和優(yōu)化模型，以便未來能夠在汽車的性能、輕量化設(shè)計和聲學(xué)之間達最佳平衡。
參考文獻
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