提升车载电机控制器上盖模态的拓扑结构设计

霍 达，胡 磊

(东风汽车公司技术中心，武汉 430058)

0 引 言

随着新能源汽车的快速发展，纯电动汽车在市场上的保有量越来越高，更多的消费者开始接触、使用纯电动汽车，对纯电动汽车的噪声要求也逐渐提高，厂商开始意识到噪声、振动、声振粗糙度(以下简称NVH)对于纯电动汽车的重要性，并将NVH性能作为纯电动汽车的一个重要评价指标。相比于传统燃油汽车，纯电动汽车取消了燃油机，采用电动机作为驱动源，电动机具有动力平顺、抖动小等优势，并且不存在怠速工况。相比于燃油汽车，纯电动汽车可以提供更加平顺的驾乘体验，减少车内感受到的振动，降低噪声。

虽然纯电动汽车具有以上天然优势，但解决其NVH问题仍然存在很大挑战。声音通常可以通过响度和尖锐度来描述。响度又称音量，是人耳感受到的声音强弱，用于描述声音响亮的强度，即常说的声音大小；而尖锐度则是评价声波中高频分量的多少，尖锐度越高，声音越尖锐，人耳会感觉到更刺耳，更容易使人不悦。燃油机的声音响度大，尖锐度小，乘客在车内会听到较响的低频噪声，主要感受是“吵”；而电动机则相反，发出的声音响度小，尖锐度高，乘客在车内会听到较弱的高频噪声，主要感受是“刺耳”。目前，较多燃油车可以通过加装隔音材料来降低声音响度，某些品牌的车型还会通过改变发动机的音色，使噪声变得更加悦耳，更容易让乘客接受。而电动车的噪声是因为高频带来的尖锐感受，使乘客不悦的并不是响度，而是高频噪声，它是电动机运转无法避免的，所以处理电动车的NVH问题会面临更多的挑战。

除了减小器件本身发出的噪声，抑制传递路径上的噪声放大是解决NVH的有效办法。集成式的电驱动总成中，较多的结构件都会作为噪声的传递路径，而这些结构件如果具有较低的模态，当受到激励时，更加容易产生共振，对噪声会产生放大作用，所以如何提高电驱动总成中零部件的模态，是改善电动汽车NVH的关键问题之一。

本文主要以电机控制器中模态最弱的上盖作为分析对象，提出一种新的拓扑结构设计，以应对越来越高的模态指标，可以在保持结构简洁的前提下，有效提高结构件的模态。

1 电机控制器模态分解

电机控制器内部晶体管的快速开关是噪声的来源，噪声经电机控制器结构件后被放大，所以提高相关结构件的模态是关键。

模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术，通过模态分析可以得到结构件的固有频率和对应的振型。

电机控制器上盖通常是模态最低的结构件，在大多数设计中，控制器上盖不具有安装器件的功能，仅实现整机的密封，一般不会有复杂的结构，通常以大面积的平面面板形式出现，而大面积的平面是模态较低的主要原因。为此，很多上盖在设计时会加入较多的阶梯结构或是加强筋来减小平面面积，但这种改进会使结构变得复杂，同时对模态的提升却很有限。根据以往设计经验来看，加强筋与阶梯结构最多只能使模态提升30%左右。

本文提出一种“穹顶”拓扑形式，可从根本上提高控制器上盖的模态。

图1 控制器上盖结构示意图

2 模态及响应幅值仿真分析

2.1 分析内容

在相同尺寸边界下，通过平板拓扑形式与穹顶拓扑形式，分别设计电机控制器上盖，在保证固定点数量、位置，材料都一致的情况下，对两种上盖进行仿真分析，对比两种上盖的模态结果，评估改善效果。

2.2 结构设计

由于都是根据同一款电机控制器设计的上盖，所以长宽高尺寸、厚度完全相同，都为290 mm×256 mm×130 mm。两种上盖都设计有13个固定点，两种结构的固定点数量和位置完全一样。

《必修2·遗传与进化》模块的中“生物遗传”内容可划分为“遗传规律”和“遗传本质”两个单元，其中“遗传本质”是在学习了“遗传规律”的基础之上，探索遗传物质的本质及其表达方式，为进一步学习“生物的变异”与“生物的进化”奠定基础。“DNA是主要的遗传物质”属于“遗传本质”单元，本节主要介绍遗传物质本质探索历程中肺炎双球菌的体内外转化和噬菌体侵染大肠杆菌的两个经典实验，通过对科学家经典实验的深入学习与剖析，增强学生的自主探究能力和实验设计的技能，有助于提高学生的生物学学科核心素养。学生学习了本节内容后，明确了DNA是主要的遗传物质，可为进一步探究遗传物质的结构、复制方式以及其本质等指明方向。

图2是平板式控制器上盖结构。可以看出，结构存在大面积的平面和阶梯式的结构。图3是穹顶式控制器上盖结构。拱形曲面代替了原有的平面结构，在长度和宽度方向上都设计有弧度，上盖类似圆锥的形式。这种穹顶式的设计利用控制器上方的高度空间，可以将平面转化为曲面，避免因大面积平面带来的模态降低问题。

图2 平板式控制器上盖结构

图3 穹顶式控制器上盖结构

2.3 材料及计算

材料选择铸铝，密度为2.71×103kg/m3，弹性模量为70 GPa，泊松比为0.346。

网格最小尺寸保证在上盖厚度方向上有三层以上网格，网格划分如图4所示。

图4 网格划分

2.4 计算结果

两个上盖取前5阶模态进行对比，前3阶振型基本相同，只有第4阶、第5阶振型不同。但穹顶式结构所有阶次对应的频率都比平板式结构有大幅提升；并且平板式结构在2 000 Hz内有4个阶次，穹顶式结构只有3阶，有效避开了关键频段，稀疏了模态频率的分布。

图5 一阶模态对比

图6 二阶模态对比

图7 三阶模态对比

图8 四阶模态对比

图9 5阶模态对比

根据对比，两种结构形式的上盖质量基本相同。穹顶式结构比平板式结构的第1阶模态提升最大，达到了104%，对其余各阶次的提升也都在30%以上。表1为两种结构形式上盖的模态对比，可以明显看出，穹顶式拓扑结构可以有效地提高模态值，改善模态分布。

表1 模态结果对比

两种结构形式的上盖主要形变是竖直方向的形变，为了考察两种上盖受到激励后的响应幅值，在两种上盖的固定点施加Z方向单位加速度激励，频率范围：0～2 000 Hz，选取板面相同位置的5个点，计算得到的幅值结果如图10所示。

图10 响应幅值结果及曲线(固定点5)

响应幅值结果对比如表2所示，两种结构形式的上盖都是在板中心处响应幅值最大，穹顶式上盖比平板式上盖的最大幅值降低了58%。可以明显看出，穹顶式拓扑结构在提高模态的同时，可以有效降低响应幅值。

表2 响应幅值结果对比

3 拓扑结构提取

以上两种上盖是已经设计完成的产品，需要对其拓扑形式进行提取，得到一种通用性更强的基本结构形式，使得穹顶式拓扑形式可以应用在其他结构件设计上。提取后的基本结构形式上盖如图11所示。

图11 基本结构形式

具体设计时，会在基本结构形式上进行特征的增加，例如剔槽、起筋等，这些特征结构会对模态和响应幅值产生影响。为此，针对基本结构形式进行模态和响应计算，得到模态和响应幅值的初始值，作为设计时的参考，如图12、图13所示。

图12 模态值曲线

4 结 语

为提高电机控制器上盖模态，本文提出了一种穹顶式拓扑结构，并分别通过平板式拓扑结构和穹顶式拓扑结构设计了两个电机控制器上盖进行模态分析，对比了模态结果与振型。结果表明，穹顶式拓扑模型可以将电机控制器上盖一阶模态从636 Hz提高到1 299 Hz，提升104%。

图13 响应幅值曲线

在此基础上，提出了一种基本结构形式，提取出来的穹顶式基本结构形式可以应用于更多的电机控制器上盖设计或是类似结构形式的结构件设计中，为提升结构件模态、改善电动汽车NVH问题提供了一种有效途径。