符為榕，陸益民，周宗琳，胡 騰

（合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，合肥230009）

車用交流發(fā)電機電磁噪聲特性的實驗研究

符為榕，陸益民，周宗琳，胡 騰

（合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，合肥230009）

針對車用交流發(fā)電機在低轉(zhuǎn)速下噪聲值偏高并伴有嘯叫聲的現(xiàn)象，基于實驗研究車用交流發(fā)電機的噪聲特性。首先在發(fā)電機上布置轉(zhuǎn)速儀、加速度傳感器和傳聲器，采集發(fā)電機在空載及負載狀態(tài)下振動和噪聲的時域信號；其次利用頻譜、階次分析等方法，找出了發(fā)電機在負載工況下低轉(zhuǎn)速時噪聲峰值的主要階次成分；最后提出改進措施，對改進后的發(fā)電機進行測試，并對比分析改進前后發(fā)電機噪聲的變化情況。分析結(jié)果表明，在低轉(zhuǎn)速下發(fā)電機的主要噪聲是電磁噪聲，該電磁噪聲的階次成分與定子鐵芯槽的個數(shù)相關，并且提出的改進措施能有效的降低發(fā)電機的電磁噪聲。

聲學；交流發(fā)電機；電磁噪聲；階次分析；定子鐵芯

隨著人們對汽車噪聲重視程度的提高，對汽車噪聲中的兩大主要噪聲源—發(fā)動機和發(fā)電機的質(zhì)量要求也就越來越高。由于發(fā)動機噪聲研究與控制已相當成熟，發(fā)電機噪聲便在汽車噪聲中突顯出來，所以就要求發(fā)電機具有較好的噪聲特性。發(fā)電機的振動和噪聲水平是評價汽車發(fā)電機性能好壞的重要標志之一。不正常的振動不僅會影響發(fā)電機的壽命，而且是汽車噪聲過大的主要原因。較高的汽車噪聲直接影響乘車的舒適性，更會危害人們的身體健康。

根據(jù)噪聲產(chǎn)生的機理，通常將發(fā)電機的噪聲分為三大類：電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲。其中電磁噪聲在發(fā)電機噪聲總值中所占比例是一定的。由于發(fā)電機工作特性不同于其他的旋轉(zhuǎn)機械，其電磁噪聲為發(fā)電機所特有的噪聲，故對發(fā)電機電磁噪聲的研究是比較有意義的。

國外對發(fā)電機的理論研究較早[1，2]，許多專家深入研究了發(fā)電機的電磁噪聲特性、產(chǎn)生機理和影響噪聲的因素等。20世紀90年代，S.Kiippers和G.Nenneberger[3]提出了幾種可靠的數(shù)值計算方法來預測發(fā)電機噪聲，并取代了制造樣機進行優(yōu)化的傳統(tǒng)優(yōu)化方法。Ahmed A.A.Saad[4]全面地介紹了交流發(fā)電機的噪聲特性，對三組不同型號的發(fā)電機測試的噪聲值進行對比分析，總結(jié)出發(fā)電機噪聲主要受轉(zhuǎn)速的影響。

雖然國內(nèi)對這方面的研究起步較晚，但也積累了較為豐富的經(jīng)驗，在理論分析和建模仿真方面取得了一定的研究成果[5—7]。王群京等[8]對爪極發(fā)電機負載磁場和電感進行了分析。采用三維有限元法對車用爪極發(fā)電機進行了計算，算出穩(wěn)態(tài)時額定負載下發(fā)電機內(nèi)三維磁場的分布和發(fā)電機各繞組的電感值。尚修敏等[9]針對電磁共振引起的車用發(fā)電機在低速段噪聲超標問題，對發(fā)電機振動模態(tài)通過仿真和實驗對比的方法進行分析，通過零部件自由狀態(tài)下有限元仿真結(jié)果和試驗結(jié)果對比進行校準，約束狀態(tài)下整機模型仿真結(jié)果與整機模態(tài)試驗結(jié)果趨于一致，最后對發(fā)電機端蓋結(jié)構(gòu)改進實現(xiàn)降噪亦證實噪聲超標原因。

對交流發(fā)電機電磁噪聲的實驗研究方面的論文相對較少，本文則要通過實驗的方法對發(fā)電機的電磁噪聲特性進行研究。在不同加載條件下測試發(fā)電機噪聲值并進行對比分析，提出改進措施，并驗證措施的可行性。

1 發(fā)電機的工作原理

本文測試用的發(fā)電機為汽車用的有刷爪極發(fā)電機[10]，它主要由這幾部分構(gòu)成：爪極轉(zhuǎn)子、定子、電刷、整流器、前后端蓋、風扇、皮帶輪等結(jié)構(gòu)。

交流發(fā)電機工作原理：和電動機一樣，發(fā)電機的定子鐵芯槽內(nèi)放有A、B、C三相并且線圈匝數(shù)相等的繞組；轉(zhuǎn)子為壓裝在轉(zhuǎn)軸上的二塊爪極，爪極的空腔內(nèi)裝有磁軛，其上套有勵磁繞組。當外面的勵磁電流通入轉(zhuǎn)子線圈后，在轉(zhuǎn)子線圈上會感應出軸向磁通，使得一塊爪極被磁化為N極，另一塊被磁化為S極，形成了交叉的N、S磁極。發(fā)電機轉(zhuǎn)子在驅(qū)動電機的帶動下以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，相當于該轉(zhuǎn)子磁力線也以相同速度在旋轉(zhuǎn)。這過程相當于定子線圈在做切割磁感線的運動，最終在定子線圈中產(chǎn)生感應電動勢。發(fā)電機和外負載電路連接后輸出發(fā)電。

2 發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩和徑向電磁力

發(fā)電機中主磁通大致上沿徑向進入氣隙，并在定、轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力，從而引起電磁振動和噪聲。同時它也產(chǎn)生切向轉(zhuǎn)矩，引起切向振動。

該實例中發(fā)電機的轉(zhuǎn)子部分為6對爪極，繞有勵磁繞組；定子由疊片構(gòu)成，共36槽。

2.1 電磁轉(zhuǎn)矩

為了分析三相爪極發(fā)電機產(chǎn)生的電磁噪聲，計算模型電磁轉(zhuǎn)矩所使用耦合的場的共能表示如下：

式中 θr為轉(zhuǎn)子位置，p為極對數(shù)。

在線性磁區(qū)域，共能則可以用定子電流、自感及互感表示如下

式中Lss(θr)為定子繞組自感，Lsf(θr)和Lfs(θr)為定子繞組和勵磁繞組的互感，Lff(θr)為勵磁繞組自感。

將定子繞組a、b、c三相繞組自感和互感代入公式（1），轉(zhuǎn)矩方程如下

式中第一項由轉(zhuǎn)子凸極引起的轉(zhuǎn)矩，第二項由定轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁耦合引起的轉(zhuǎn)矩，第三項為轉(zhuǎn)子磁場和定子槽相互作用引起的轉(zhuǎn)矩[10]。

2.2 氣隙磁場產(chǎn)生的徑向力波

由發(fā)電機氣隙磁場產(chǎn)生，并作用于定子鐵芯內(nèi)表面單位面積上徑向電磁力，按麥克斯韋定律，正比于磁通密度的平方，可按下式確定

其中μ0=2π×10-7h/m；b(θ,t)為氣隙磁密。

當忽略飽和時，異步發(fā)電機氣隙的磁通量密度等于磁勢與磁導的乘積，定、轉(zhuǎn)子繞組的合成磁勢：

其中γ為定子繞組的諧波次數(shù)；μ為轉(zhuǎn)子繞組的諧波次數(shù)。

當定、轉(zhuǎn)子都有齒槽時，氣隙磁導近似地可表示為

其中Λ0為磁導不變部分；λk1為轉(zhuǎn)子光滑時定子齒決定的諧波磁導；λk2定子光滑時轉(zhuǎn)子齒決定的諧波磁導。定、轉(zhuǎn)子齒決定的復合諧波磁導，其值遠遠小于基波磁導。

由式（5）、式（6）可得

由式（4）得氣隙磁場產(chǎn)生的徑向力波為

由于振動階次數(shù)較低、幅值較大的力波對發(fā)電機的振動和噪聲起主要作用，因此可略去式中振動階次數(shù)較高，振幅較小的力波分量，同時略去恒定分量，因為它們不會產(chǎn)生振動和噪聲。故有

上式中第一部分是2f1（即二倍電源頻率）的振動，它是發(fā)電機中主要的振動分量之一。尤其是在大型發(fā)電機中，由于定子的固有頻率較低，這種頻率的振動分析和研究顯得特別重要。對于中小型發(fā)電機，這種頻率的振動大小對定子振動振幅影響較大，但由于人耳的衰減作用，對噪聲的影響不大，一般不予考慮。第二部分是由于定、轉(zhuǎn)子的齒諧波相互作用所產(chǎn)生的力波[5]。它們一般是電磁噪聲的主要分量，尤其是對中小型發(fā)電機。這些力波的階次數(shù)小、振幅大，且頻率分布一般在人耳的敏感區(qū)。因此，對它們的分析是發(fā)電機電磁噪聲研究的主要任務[5]。

3 診斷實例與分析

3.1 實驗測試系統(tǒng)

本文的實驗是在一個特定的測試系統(tǒng)下，在空載及負載兩種實驗狀態(tài)下測試發(fā)電機隨轉(zhuǎn)速升高過程中的噪聲及振動值[11]。實驗過程如下：首先將發(fā)電機固定在實驗臺上，并在發(fā)電機的機殼和安裝發(fā)電機的基座上各布置一個三向加速度傳感器；其次在發(fā)電機右側(cè)端蓋處放置一個傳聲器；其三將轉(zhuǎn)速儀的正負極接到發(fā)電機上，并將所有設備連接到測試儀上；最后控制實驗臺，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速以50 r/ min的速度均勻增加，分別采集它在負載和空載時的轉(zhuǎn)速、振動和噪聲信號。負載狀態(tài)時，發(fā)電機接上15 V左右負載電壓；空載狀態(tài)時，發(fā)電機通上恒定的電流。發(fā)電機與實驗臺基座相連處有隔振橡膠。圖1為整個測試系統(tǒng)。

圖1 交流發(fā)電機現(xiàn)場測試圖片

3.2 實驗數(shù)據(jù)的分析

實驗過程中，主觀感覺在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)電機的噪聲較高，并且在某轉(zhuǎn)速下有嘯叫聲。

圖2為發(fā)電機在兩種工況下的噪聲總值。其中X軸表示發(fā)電機的轉(zhuǎn)速范圍從1 900 r/min～9 800 r/ min；Y軸表示發(fā)電機在A計權下的噪聲總值。從圖中可以清晰的看出，發(fā)電機的噪聲與轉(zhuǎn)速密切相關。隨著轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機噪聲總值逐漸增大。當轉(zhuǎn)速在4 500 r/min以下時，發(fā)電機在負載狀態(tài)下的噪聲總值波動非常大，比它在空載時同轉(zhuǎn)速下的噪聲總值高出4～10 dB；轉(zhuǎn)速在4 500 r/min以上時，發(fā)電機在兩種工況下的噪聲總值曲線相吻合。此外轉(zhuǎn)速達到5 500 r/min時，負載工況下發(fā)電機存在噪聲峰值。

圖2 發(fā)電機在空載、負載狀態(tài)下噪聲總值

通過對比發(fā)電機的三向加速度可知，發(fā)電機Z向的加速度最大，其中Z向是發(fā)電機的徑向。圖中X軸表示轉(zhuǎn)速，Y軸表示發(fā)電機機殼的振動加速度。從圖3能看出，轉(zhuǎn)速在5 000 r/min以下時，發(fā)電機負載狀態(tài)下機殼的Z向加速度要大于空載時的Z向加速度；結(jié)合圖2看出，同樣在該轉(zhuǎn)速以下，發(fā)電機負載時的噪聲總值要高于空載時的噪聲總值。然而轉(zhuǎn)速在5 000 r/min以上，發(fā)電機負載時機殼Z向加速度要遠遠大于空載時的加速度值；但同轉(zhuǎn)速下發(fā)電機在兩種工況的噪聲總值相等。說明高轉(zhuǎn)速下，機殼徑向振動對發(fā)電機噪聲貢獻很??；在低轉(zhuǎn)速時的貢獻很大。

圖3 發(fā)電機在空載和負載下機殼三向振動加速度

進一步分析發(fā)電機在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其噪聲所包含的階次成分。圖4、圖5為發(fā)電機A在負載和空載狀態(tài)下的階次成分。圖中X軸表示發(fā)電機的階次成分，Y軸表示轉(zhuǎn)速，Z軸表示發(fā)電機在A計權聲壓級。從圖4清晰的看出，低轉(zhuǎn)速下發(fā)電機的噪聲主要受發(fā)電機轉(zhuǎn)速基頻36階的影響；轉(zhuǎn)速在5 500 r/ min時，從圖中依然可以看到噪聲峰值受72階的影響。在圖5中，發(fā)電機在低轉(zhuǎn)速下的噪聲值減小了，并且5 500 r/min的噪聲峰值也消失了。

圖5 發(fā)電機空載狀態(tài)下噪聲的譜譜圖

明確了發(fā)電機在低轉(zhuǎn)速下主要受基頻36階次影響較大，接著對發(fā)電機的噪聲值做階次分析[12]，其結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)發(fā)電機低轉(zhuǎn)速下的噪聲總值與36階的噪聲值兩者曲線相吻合。此發(fā)電機的定子鐵心為36槽，由此可以推斷出36階的噪聲值是與發(fā)電機定子槽相關，即1階齒諧波。同樣的發(fā)電機在轉(zhuǎn)速達到5 500 r/min時的噪聲峰值是由72階噪聲導致的，即2階齒諧波。

圖6 發(fā)電機噪聲總值與36、72階的噪聲值比對

為了降低發(fā)電機在低轉(zhuǎn)速下的電磁噪聲，可從振動的傳播路徑和噪聲源控制出發(fā)。在此我們提出了在發(fā)電機定子與機殼間加入阻尼材料的方法，這樣可以部分衰減發(fā)電機定子傳導到機殼上的振動，這樣便能降低發(fā)電機的電磁噪聲。

圖7 發(fā)電機改進前后負載狀態(tài)下噪聲總值

在相同測試系統(tǒng)中測試改進后發(fā)電機的噪聲值，并與改進前的發(fā)電機做比較，結(jié)果如圖7所示。改進后的發(fā)電機在低轉(zhuǎn)速下噪聲總值較改進前有明顯改善，噪聲值變化比較平穩(wěn)。而在高轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機的噪聲總值略有下降，但變化不明顯?？梢钥闯鲈撟枘岵牧夏苡行У慕档桶l(fā)電機低轉(zhuǎn)速時的電磁噪聲，而高轉(zhuǎn)速時降噪幅度較低轉(zhuǎn)速時要小。另外也可以從改進發(fā)電機爪極、定轉(zhuǎn)子間的氣隙厚度等方式削弱電磁力的諧波成分，來對發(fā)電機進行降噪。

4 結(jié)語

本論文通過實驗的方法得出了以下結(jié)論：

（1）低轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機的主要噪聲源是電磁噪聲。但在高轉(zhuǎn)速下，電磁噪聲對發(fā)電機的噪聲總值貢獻較少。這是因為低轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機的機械噪聲和空氣動力噪聲比較?。浑S著轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)電機的振動加劇、風扇轉(zhuǎn)速升高，使得發(fā)電機的機械噪聲和空氣動力噪聲變大；此時發(fā)電機所接負載功率不變，電磁噪聲恒定，故電磁噪聲對高轉(zhuǎn)速下發(fā)電機噪聲總值影響很?。?/p>

（2）低轉(zhuǎn)速下，此發(fā)電機電磁噪聲中的36階成分比較顯著，這1階次成分與其定子鐵芯槽的數(shù)量相關。可知電磁噪聲主要是由定子鐵芯的徑向振動引起的；

（3）通過限制發(fā)電機定子振動的傳播路徑，能有效的降低發(fā)電機的電磁噪聲。如在定子鐵芯和機殼間加入阻尼材料，能有效的降低發(fā)電機在低轉(zhuǎn)速時的電磁噪聲。

此次實驗的結(jié)果為我們了解發(fā)電機電磁噪聲特性及降低發(fā)電機噪聲提供了可靠的數(shù)據(jù)，具有一定的參考價值。

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Experimental Research on Electromagnetic Noise Characteristics ofAutomotiveAlternators

FU Wei-rong,LU Yi-min,ZHOU Zong-lin,HUTeng

(Institute of Mechanical andAutomotive Engineering,Hefei University of Technology, Hefei 230009,China)

∶For the noise of automotive alternators at low speed is high and accompanied by whistle,the noise characteristics of a vehicle’s alternator were studied experimentally.Firstly,tachometer,acceleration sensors and microphones were laid out in the generator and the signal of the generator in time domain under load-free and loading condition was collected.Secondly,the main order components of the noise peak value of the generator were found through the methods of frequency spectrum and order analysis in the loading condition and at low speed.Finally the improvement measures are put forward and the improved generator was tested.The noise of the improved generator is compared with that of the original generator.Analysis results show that the main noise of the generator at low speed is electromagnetic noise;the order components of the electromagnetic noise is associated with the slot number of stator core;and the improvement measures can effectively reduce the electromagnetic noise of the generator.

∶acoustics;alternator;electromagnetic noise;order analysis;stator core

TM301.4+3< class="emphasis_bold">文獻標識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.019

1006-1355(2014)06-0085-05

2014-04-30

符為榕（1989-），男，江蘇省南通市人，碩士生，主要研究方向：機械系統(tǒng)動態(tài)特性研究。

陸益民，男，碩士生導師。

E-mail∶Yimin_Lu@163.com