本文讲述的是马格德堡大学的一个工作小组，通过使用光学振动测量技术获取外部转子电机的振动响应，以优化轮毂电机的声学特性。
1、近轮电驱动的研究
自2011年以来，电动汽车的研究日益成为德国马格德堡大学(Otto von Guericke University Magdeburg)的研究重点。Editha工作小组以Smart两座版MC450为基础开发了几个电驱动概念。其目的是开发一种适用于大众驾驶的原型，利用轮边驱动概念获得更好的空间利用率，为牵引蓄电池留出更大空间。
图1用于研究车辆上的轮毂电机(© OVGU)
2012年，概念车Editha 1完成，并获得道路行驶的正式批准和认可。驱动概念的核心是两个直流电动机，通过一个单级行星齿轮直接刚性安装在后轴上。这一概念得到一进步发展后，Editha 2使用永磁同步电机取代直流电机，并改善传动系统。到了Editha 3，轮毂电机又取代了永磁同步电机，如图1所示。这种轮毂电机是由移动系统研究所开发。这样做的目的是为了使整个传动系统和汽车内部的行星齿轮更为紧凑，从而为电池提供更大空间。另一个优点是可独立控制每个车轮，实现更智能的车辆动力学控制。所研制的轮毂电机为外置转子电机，通过气隙绕组与额外线槽绕组相结合，实现高功率密度。
由于采用分散驱动概念，Editha三款车的簧下质量都增加了。附加质量对车轮的影响是力学研究所试验和仿真研究课题之一。除了垂直动力学受到影响外，轮毂电机的声音辐射也是一个重要问题。因为电机被放置在轮毂上，其较大的扁平部件会导致噪音增加。
尽管通常认为电动机的噪音比内燃机小，但还是非常有必要去评估电动汽车的声学性能。一方面，电机发出的高频噪音，即使在低音量下，也易引起驾乘人员的不适。另一方面，其它噪声源也都不再受到掩盖，将一一暴露出来。
由于使用了轮毂电机，因此车身的声学屏蔽就不存在了，被动侧的测试很难实现。试验分析旨在为复杂的仿真模型提供验证基础，从整体角度考虑连锁反应，这意味着需要将所有相关的激励源和传递现象考虑在内，利用已验证的数值模型和计算机辅助优化技术来改善轮毂原型的声学特性。
2、使用扫描式激光测振仪进行结构研究
生成整个系统的仿真模型后，这些模型在稳态系统中使用常规的试验振动分析验证，包括零部件级和装配级验证。本次实验使用的是Polytec公司的一维扫描式激光多普勒测振仪，如图2(左)所示。
图2 用于验证测试的实验装置(左)和实验及数值振动分析的结果(右)(© OVGU)
测量时，使用高分子聚合线将轮毂电机悬吊在铝型材框架上，因为这种自由-自由安装特别适合对比数值模型与试验振动分析结果。图2（左）显示了该被测电机的安装是典型的被测物安装方式。其他边界条件，如夹紧或固定连接，在有限元模型中很难与实验[2]的边界条件统一。实验目的是使仿真模型和实验模型之间能够很好地匹配，而由于边界条件的影响而产生的不确定性会导致仿真模型与试验模型匹配花费大量的时间。
为了避免外部激励与被测结构因耦合产生的不确定的边界条件，我们使用力锤激励，以保证自由边界条件不变。激励必须是可重复的，对测量网格的每个扫描点和相应的平均值，都要重复激励。因此，将力锤的头部安装在电动激振器上，请见图2左侧的蓝色椭圆框内。
图2(右)是轮毂电机试验结果(第一行)与仿真计算结果 (中间行)的对比，5个明显的自然频率结果。比对结果是由激光测振仪测试的电机外表面。我们可以看出，尽管部件间有若干装配连接，仿真模型依然能够很好地预测复杂整体系统的振动响应。在这种情况下，固有频率和固有振动模态都有很好的匹配。
另在图2右第三行显示了整个轮毂电机的特征模态，与激光测振手段相比，数值计算能获得整个系统更好的振动特性数据。第一列和第三列显示的是侧面测试结果，一些关键区域未被测量，因此不代表整个系统的特征模态。这体现了数值振动分析的价值，因其提供被测结构所有领域的信息。尽管如此，我们仍然建议用实验数据来验证仿真模型的预测能力。
3、测试原理及实验搭建
对于发动机声振特性的评估，了解其整个系统在运行期间的性能尤为重要。因此，我们对电驱轮毂电机不同稳态工作点进行了振动实验分析，为[3,4]提出的整体仿真方法获得广泛的验证依据。
一维扫描式激光测振仪用于测量轮毂电机的工作振动。电机结构由电气激励，因此电机必须工作以进行工作振动测量。由于轮毂电机设计为外置转子电机，转子作为电机壳体与轮辋一起旋转，用传统的加速度计无法测量转子的局部面外振动。
因此，我们在PSV前安装了一个可旋转的玻璃棱镜。因此，即使测振仪并不旋转，仍然可以按照提前设置好的测量网格对旋转表面进行测量，这就是Polytec用于测量的反旋器。另有一个固定单点式激光测振仪用于提供参考信号，目的是为每个测点提供准确的相位参考。实验搭建如图3所示。
图3轮毂电机工作时的振动分析实验搭建(© OVGU)
电动闸(见图3左)用于施加不同的负载，以实现不同的稳态工作点。在样机阶段，轮毂电机的电路被安装在定子外部。而在后期使用时，其将被集成至轮毂电机。
反旋器玻璃棱镜的角速度必须与被测物的角速度保持完全同步，本次试验使用的是增量编码脉冲为1024的增量编码器来完成。编码器与被测结构之间必须是抗扭刚性连接，否则不能准确检测被测结构的角度位置，也不能以正确的速度驱动棱镜，造成测量实际位置与预设测点位置发生偏转，从而位置参考不再正确。反旋器、扫描式激光测振仪和用于参考的单点式激光测振仪均被安装在可调底座上，它们都必须与被测结构的旋转轴精确对准，以确保测试结果真实可靠。
4、测试结果
本节是光学测振方法的测试结果，具有典型意义。
图4测量表面上不同工作点的平均振幅谱图(© OVGU)
图4显示的是不同负载和速度变化情况下，测量网格各点的平均振动幅值的频响函数。正如预期，高负载和高速度均会导致更明显的声学特性，我们可以清楚地看到电机典型的声频组成。此外，在3.7 ~ 4kHz的频率范围具有很高的幅值。
图5显示了稳态怠速时的典型结果及平均频谱图，及最为明显的振动模态。值得注意的是，系统存在对称和非对称两种振动模式。
由于转子采用对称设计，预期仅有对称的工作模态，如同在稳态系统中测量所得，如图2所示。非对称模态是非对称电激励或非对称边界条件的明确标志。
图5怠速时，具有明显振动模态的所有测点的平均振动幅频谱(©OVGU)
作为对比，图6显示了在同等速度和特定扭矩下的工作模态。与图5相反，它没有显示出对称的振动模态。图6所示工作点的电激励力明显较高，可以得出电机运行时的非对称振动模式可能是由空间上不均匀的电激励所引起的。
图6稳定运行时，具有明显振动模式的测点的平均振动幅值(©OVGU)
由于轮毂电机的光学测量是在运行期间进行，在目前情况下，可为明显的声学问题做出解释，但仍待进一步研究。一旦问题得以解决，试验工作模态分析就可反复进行。所得结果可为整体模拟方法提供初步验证依据。
5、总结与展望
本文介绍的是作为特殊电驱动装置的新型轮毂电机在运行过程中的光学振动分析，试验地点为德国马格德堡大学。试验结果表明，采用光学振动测量可以有效地参数化声振特性及解决噪音问题。
目前，工厂所制发动机与本文测量的电机有很大不同：从磁路的基本设计到外部几何形状，再到电机主要部件的材料选择(铝、泡沫铝、纤维增强复合材料)。后续对新样机的试验模态分析将为整体模拟方法提供更为广泛的验证基础。我们的目的是使用合格的方法来全面了解系统和优化模型，以便未来能够在汽车的性能、轻量化设计和声学之间达最佳平衡。
参考文献
Daniel, C.; Nitzschke, S.; Woschke, E.; Strackeljan, J.: Konstruktion, Berechnung und experimentelle Belastungsmessung des Antriebsstranges von “Editha”. Proceedings 11. Magdeburger Maschinenbau-Tage, 2013
Duvigneau, F.; Koch, S.; Orszulik, R.; Woschke, E.; Gabbert, U.: About the Vibration Modes of Square Plate-like Structures. In: Technische Mechanik 36 (2016), No. 3, pp. 180-189, https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2017-004
Duvigneau, F.; Liefold, S.; Höchstetter, M.; Verhey, J. L.; Gabbert, U.: Analysis of simulated engine sounds using a psychoacoustic model. In: Journal of Sound and Vibration 366 (2016), pp. 544-555, https://doi.org/10.1016/j.jsv.2015.11.034
Duvigneau, F.; Nitzschke, S.; Woschke, E.; Gabbert, U.: A holistic approach for the vibration and acoustic analysis of combustion engines including hydrodynamic interactions. In: Archive of Applied Mechanics 86 (2016), No. 11, pp. 1887-1900, https://doi.org/10.1007/s00419-016-1153-5
