標(biāo)題：光學(xué)振動測量技術(shù)在輪轂電機(jī)聲學(xué)特性優(yōu)化中的應(yīng)用研究

摘要

本文介紹了德國馬格德堡大學(xué)（Otto von Guericke University Magdeburg）Editha工作小組對輪轂電機(jī)聲學(xué)特性的深入研究。通過采用光學(xué)振動測量技術(shù)，對輪轂電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的振動響應(yīng)進(jìn)行了精確測量與分析，旨在為優(yōu)化電動汽車的聲學(xué)性能提供科學(xué)依據(jù)。文章詳細(xì)闡述了測量原理、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析，并展望了未來研究方向。

1. 引言

隨著電動汽車的快速發(fā)展，輪轂電機(jī)作為其核心部件之一，其聲學(xué)特性的優(yōu)化成為研究熱點(diǎn)。輪轂電機(jī)的振動和噪音不僅影響駕乘體驗(yàn)，還關(guān)系到電動汽車的整體性能和市場競爭力。本文基于Editha工作小組的研究成果，探討了光學(xué)振動測量技術(shù)在輪轂電機(jī)聲學(xué)特性優(yōu)化中的應(yīng)用。

2. 近輪電驅(qū)動研究背景

自2011年以來，馬格德堡大學(xué)Editha工作小組致力于電動汽車電驅(qū)動技術(shù)的研發(fā)。從Editha 1到Editha 3，團(tuán)隊(duì)逐步將直流電機(jī)替換為永磁同步電機(jī)，并最終采用輪轂電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)更高的空間利用率和更智能的車輛動力學(xué)控制。然而，輪轂電機(jī)的引入也帶來了簧下質(zhì)量增加和聲音輻射增強(qiáng)等新問題，亟需對其聲學(xué)特性進(jìn)行深入評估和優(yōu)化。

3. 光學(xué)振動測量技術(shù)原理

光學(xué)振動測量技術(shù)是一種基于激光多普勒效應(yīng)的非接觸式測量方法，能夠精確測量物體表面的振動速度和位移。本研究一維掃描式激光多普勒測振儀，通過激光束照射到被測物體表面，并接收反射回來的光信號，利用多普勒頻移原理計(jì)算物體表面的振動速度。

測量原理公式：

其中，$v$為振動速度，$\lambda$為激光波長，$\Delta f$為多普勒頻移，$\theta$為激光束與被測物體表面的夾角。

4. 實(shí)驗(yàn)方法與裝置

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置搭建

實(shí)驗(yàn)采用自由-自由安裝方式，將輪轂電機(jī)懸吊在鋁型材框架上，以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。使用力錘激勵保證自由邊界條件不變，并將力錘的頭部安裝在電動激振器上，以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的激勵。

4.2 測量網(wǎng)格與反旋器

為了全面測量輪轂電機(jī)表面的振動情況，設(shè)定了密集的測量網(wǎng)格。由于輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)加速度計(jì)無法測量其局部面外振動。因此，在測振儀前安裝了一個可旋轉(zhuǎn)的玻璃棱鏡（反旋器），使測振儀能夠按照預(yù)設(shè)的測量網(wǎng)格對旋轉(zhuǎn)表面進(jìn)行測量。

4.3 數(shù)據(jù)采集與處理

實(shí)驗(yàn)過程中，電動閘用于施加不同的負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)不同的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。使用增量編碼器確保反旋器玻璃棱鏡的角速度與被測物的角速度保持完全同步。采集的數(shù)據(jù)通過專業(yè)的軟件進(jìn)行處理，得到振動幅值、頻率等關(guān)鍵參數(shù)。

5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 振動幅值譜圖

圖4顯示了不同負(fù)載和速度變化情況下，測量網(wǎng)格各點(diǎn)的平均振動幅值的頻響函數(shù)。結(jié)果表明，高負(fù)載和高速度均會導(dǎo)致更明顯的聲學(xué)特性，電機(jī)典型的聲頻組成清晰可見，尤其在3.7 ~ 4kHz的頻率范圍具有很高的幅值。

5.2 振動模態(tài)分析

圖5顯示了穩(wěn)態(tài)怠速時(shí)的典型結(jié)果及平均頻譜圖，以及最為明顯的振動模態(tài)。系統(tǒng)存在對稱和非對稱兩種振動模式，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6則顯示了在同等速度和特定扭矩下的工作模態(tài)，與怠速時(shí)相比，電激勵力明顯較高，電機(jī)運(yùn)行時(shí)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。

6. 討論與展望

本研究通過光學(xué)振動測量技術(shù)，成功獲取了輪轂電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，為優(yōu)化其聲學(xué)特性提供了重要依據(jù)。然而，輪轂電機(jī)的聲學(xué)特性受到多種因素的影響，如電機(jī)設(shè)計(jì)、材料選擇、邊界條件等。因此，未來的研究需要綜合考慮這些因素，采用更先進(jìn)的測量技術(shù)和仿真方法，對輪轂電機(jī)的聲學(xué)特性進(jìn)行更深入的研究和優(yōu)化。

此外，隨著電動汽車市場的不斷發(fā)展，對輪轂電機(jī)的性能要求也將不斷提高。未來的研究應(yīng)關(guān)注新型材料、新型電機(jī)結(jié)構(gòu)以及智能控制算法在輪轂電機(jī)聲學(xué)特性優(yōu)化中的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)電動汽車性能、輕量化設(shè)計(jì)和聲學(xué)之間的最佳平衡。

7. 結(jié)論

本文介紹了光學(xué)振動測量技術(shù)在輪轂電機(jī)聲學(xué)特性優(yōu)化中的應(yīng)用，詳細(xì)闡述了測量原理、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光學(xué)振動測量技術(shù)能夠有效參數(shù)化輪轂電機(jī)的聲振特性，為解決噪音問題提供科學(xué)依據(jù)。未來的研究將在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索輪轂電機(jī)聲學(xué)特性的優(yōu)化方法和技術(shù)，推動電動汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展。