为什么电动驱动系统的声学性能至关重要
电动机正越来越多地被用作车辆的主要驱动技术。驱动系统的声学特性是影响电动汽车感知质量的关键因素。因此，在电动驱动系统的开发初期，就会采用数值方法来评估和优化其声学特性。电动机的结构动力学响应在振幅评估中起着重要作用。由于当前阻尼模型的预测能力有限（尤其是针对电动驱动系统），因此需要高效的测量方法来验证模型。
在电动驱动系统中，声学激励遍布整个可听频率范围。例如，通过现代电力电子设备对电机进行控制时，会在较高千赫兹（kHz）频段产生力与噪声，这些噪声往往被认为特别令人烦扰。这给电动驱动系统的实验研究带来了挑战。
为了清晰地重建高频范围内有时较为复杂的偏转波形，需要设置大量测量点。此外，由于电气机器的机械结构，其行为有时呈现非线性特征。
借助Polytec 最先进的机器人辅助3D激光多普勒振动计，可以有效应对电动驱动系统声学分析中的这些特殊挑战。 这种光学测量方法最大限度地减少了测试装置对测量结果的影响，同时可记录数量几乎无限的测量点。采用QTec 技术的激光多普勒振动计能显著提高信噪比。这不仅缩短了测量时间，扩大了可评估的频率范围，还能实现可靠的衰减估算。
下文将以电动驱动装置的实验模态分析为例，探讨上述特性。
精益求精：如何让振动“可见”
实验模态分析在全自动的RoboVib测试中心进行。实验模态分析的目的是基于固有频率、特征向量和阻尼来描述结构动力学传递行为，并将其与数值模型进行比较。
图1和图2展示了本次测量系列中选取的两个试验装置。电动机通过弹簧进行弹性悬挂，以减少外部影响。悬挂系统的弹簧刚度经过精心选择，确保其固有频率与机器预期第一固有频率之间存在足够大的间隔，从而最大限度地减少悬挂系统对机器阻尼行为的影响。
在模态分析中，有多种方法和激励信号可用于对机器进行定向激励。 本文一方面研究了使用LDS公司的振动台，通过伪噪声和白噪声进行激励的方法；另一方面，研究了使用NV-Tech公司的自动模态锤进行激励的方法。为避免使用自动模态锤时产生塑性变形，在激励点处安装了薄硬化钢板。通过专门开发的方法，结合数值模型中的试验边界条件，预先确定了结构的最佳激励点。
在RoboVib测试中心，使用了两台不同的激光多普勒振动计（PSVXtra 和 PSVQTec ）来测量振动响应。
由于电机表面呈曲面，因此进行光学测量时必须将振动计放置在不同的位置。RoboVib测量系统能够以高重复精度、全自动的方式完成这些测量，共计17个测量位置（参见视频）。
QTec 技术如何彻底改变信号质量
图4展示了一个传递函数结果示例，用于比较不同的测试方案：使用振动台或自动模态锤进行激励，并使用PSVXtra 或 PSVQTec 测量振动响应。
采用振动台和PSVXtra 的测试方案在整个频率范围内，其传递函数中均存在明显的噪声成分。相比之下，使用QTec 系统时，噪声成分可显著降低。若使用自动模态锤代替振动台，则能进一步提高测量数据的质量。
图5和图6展示了在自动模态锤激励下，某个选定测量点采用QTec 技术与未采用该技术时，所测得表面速度的时间信号。由于测试装置的设置以及必要的弹性支承，如果不使用QTec ，机器的横向运动会导致信号丢失。
QTec的“多路径检测”功能可完全避免这些信号丢失，从而显著提高该应用中的信号质量。
总体而言，配备自动模态锤和QTec vibrometer 的测试系统能够对电机进行最高达12 kHz的实验模态分析。下图展示了在2.8和4.6 kHz以及6.2和9.8 kHz等选定共振频率下的典型振形。
模拟的局限性：我们从测量中获得了哪些认识
测量与仿真之间的相关性表明，例如在某一频率下，模型与测量结果在电机前部具有高度一致性（图9a）。而在电机后部（图9b），模态形状在局部区域并不吻合。这表明，采用当前的建模方法，无法在该频率范围内充分考虑电动机接线的影响。
总结：声学分析的新标准
借助Polytec 推出的最新款机器人辅助3D激光多普勒振动计，可以有效应对电动驱动系统声学分析中的特殊挑战。 得益于测量的完全自动化，即使在较高的千赫兹频段，也能实现足够的测量点。光学测量方法最大限度地减少了测试装置对测量结果的影响。采用QTec 技术的激光多普勒振动计可显著提高信噪比。这不仅缩短了测量时间，扩大了可评估的频率范围，还能提供可靠的衰减估算值。
与数值模型的对比分析还表明，使用当前的计算方法无法在整个频率范围内高精度地描述电机振动行为。这意味着当前的计算方法无法完全替代测量。
