標題：光學振動測量技術在輪轂電機聲學特性優化中的應用研究

摘要

本文介紹了德國馬格德堡大學（Otto von Guericke University Magdeburg）Editha工作小組對輪轂電機聲學特性的深入研究。通過采用光學振動測量技術，對輪轂電機在運行狀態下的振動響應進行了精確測量與分析，旨在為優化電動汽車的聲學性能提供科學依據。文章詳細闡述了測量原理、實驗方法、數據處理及結果分析，并展望了未來研究方向。

1. 引言

隨著電動汽車的快速發展，輪轂電機作為其核心部件之一，其聲學特性的優化成為研究熱點。輪轂電機的振動和噪音不僅影響駕乘體驗，還關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，探討了光學振動測量技術在輪轂電機聲學特性優化中的應用。

2. 近輪電驅動研究背景

自2011年以來，馬格德堡大學Editha工作小組致力于電動汽車電驅動技術的研發。從Editha 1到Editha 3，團隊逐步將直流電機替換為永磁同步電機，并最終采用輪轂電機，以實現更高的空間利用率和更智能的車輛動力學控制。然而，輪轂電機的引入也帶來了簧下質量增加和聲音輻射增強等新問題，亟需對其聲學特性進行深入評估和優化。

3. 光學振動測量技術原理

光學振動測量技術是一種基于激光多普勒效應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. 實驗方法與裝置

4.1 實驗裝置搭建

實驗采用自由-自由安裝方式，將輪轂電機懸吊在鋁型材框架上，以避免外部激勵與被測結構因耦合產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，以實現可重復的激勵。

4.2 測量網格與反旋器

為了全面測量輪轂電機表面的振動情況，設定了密集的測量網格。由于輪轂電機轉子旋轉，傳統加速度計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的玻璃棱鏡（反旋器），使測振儀能夠按照預設的測量網格對旋轉表面進行測量。

4.3 數據采集與處理

實驗過程中，電動閘用于施加不同的負載，以實現不同的穩態工作點。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。采集的數據通過專業的軟件進行處理，得到振動幅值、頻率等關鍵參數。

5. 實驗結果與分析

5.1 振動幅值譜圖

圖4顯示了不同負載和速度變化情況下，測量網格各點的平均振動幅值的頻響函數。結果表明，高負載和高速度均會導致更明顯的聲學特性，電機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 振動模態分析

圖5顯示了穩態怠速時的典型結果及平均頻譜圖，以及最為明顯的振動模態。系統存在對稱和非對稱兩種振動模式，非對稱模態是非對稱電激勵或非對稱邊界條件的明確標志。圖6則顯示了在同等速度和特定扭矩下的工作模態，與怠速時相比，電激勵力明顯較高，電機運行時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

本研究通過光學振動測量技術，成功獲取了輪轂電機在運行狀態下的振動響應數據，為優化其聲學特性提供了重要依據。然而，輪轂電機的聲學特性受到多種因素的影響，如電機設計、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，采用更先進的測量技術和仿真方法，對輪轂電機的聲學特性進行更深入的研究和優化。

此外，隨著電動汽車市場的不斷發展，對輪轂電機的性能要求也將不斷提高。未來的研究應關注新型材料、新型電機結構以及智能控制算法在輪轂電機聲學特性優化中的應用，以實現電動汽車性能、輕量化設計和聲學之間的最佳平衡。

7. 結論

本文介紹了光學振動測量技術在輪轂電機聲學特性優化中的應用，詳細闡述了測量原理、實驗方法、數據處理及結果分析。實驗結果表明，光學振動測量技術能夠有效參數化輪轂電機的聲振特性，為解決噪音問題提供科學依據。未來的研究將在此基礎上，進一步探索輪轂電機聲學特性的優化方法和技術，推動電動汽車技術的不斷進步和發展。