標(biāo)題：光學(xué)振動(dòng)測(cè)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(guó)馬格德堡大學(xué)（Otto von Guericke University Magdeburg）Editha工作小組對(duì)輪轂電機(jī)聲學(xué)特性的深入研究。通過(guò)采用光學(xué)振動(dòng)測(cè)量技術(shù)，對(duì)輪轂電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了精確測(cè)量與分析，旨在為優(yōu)化電動(dòng)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(cè)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(lái)研究方向。

1. 引言

隨著電動(dòng)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(dòng)和噪音不僅影響駕乘體驗(yàn)，還關(guān)系到電動(dòng)汽車的整體性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文基于Editha工作小組的研究成果，探討了光學(xué)振動(dòng)測(cè)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(dòng)研究背景

自2011年以來(lái)，馬格德堡大學(xué)Editha工作小組致力于電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)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(dòng)力學(xué)控制。然而，輪轂電機(jī)的引入也帶來(lái)了簧下質(zhì)量增加和聲音輻射增強(qiáng)等新問(wèn)題，亟需對(duì)其聲學(xué)特性進(jìn)行深入評(píng)估和優(yōu)化。

3. 光學(xué)振動(dòng)測(cè)量技術(shù)原理

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

測(cè)量原理公式：

其中，$v$為振動(dòng)速度，$\lambda$為激光波長(zhǎng)，$\Delta f$為多普勒頻移，$\theta$為激光束與被測(cè)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(lì)與被測(cè)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(lì)保證自由邊界條件不變，并將力錘的頭部安裝在電動(dòng)激振器上，以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的激勵(lì)。

4.2 測(cè)量網(wǎng)格與反旋器

為了全面測(cè)量輪轂電機(jī)表面的振動(dòng)情況，設(shè)定了密集的測(cè)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(wú)法測(cè)量其局部面外振動(dòng)。因此，在測(cè)振儀前安裝了一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的玻璃棱鏡（反旋器），使測(cè)振儀能夠按照預(yù)設(shè)的測(cè)量網(wǎng)格對(duì)旋轉(zhuǎn)表面進(jìn)行測(cè)量。

4.3 數(shù)據(jù)采集與處理

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電動(dòng)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(cè)物的角速度保持完全同步。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)專業(yè)的軟件進(jìn)行處理，得到振動(dòng)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(dòng)幅值譜圖

圖4顯示了不同負(fù)載和速度變化情況下，測(cè)量網(wǎng)格各點(diǎn)的平均振動(dòng)幅值的頻響函數(shù)。結(jié)果表明，高負(fù)載和高速度均會(huì)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(jiàn)，尤其在3.7 ~ 4kHz的頻率范圍具有很高的幅值。

5.2 振動(dòng)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(dòng)模態(tài)。系統(tǒng)存在對(duì)稱和非對(duì)稱兩種振動(dòng)模式，非對(duì)稱模態(tài)是非對(duì)稱電激勵(lì)或非對(duì)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(lì)力明顯較高，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的非對(duì)稱振動(dòng)模式可能是由空間上不均勻的電激勵(lì)所引起的。

6. 討論與展望

本研究通過(guò)光學(xué)振動(dòng)測(cè)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(dòng)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(lái)的研究需要綜合考慮這些因素，采用更先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)和仿真方法，對(duì)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(dòng)汽車市場(chǎng)的不斷發(fā)展，對(duì)輪轂電機(jī)的性能要求也將不斷提高。未來(lái)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(dòng)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(dòng)測(cè)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(cè)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(dòng)測(cè)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(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。未來(lái)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(dòng)電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展。