王維張軍周維超趙勤

某乘用車發(fā)電機(jī)性能開發(fā)與NVH控制

王維1，2張軍1，2周維超1，2趙勤1，2

（1.長(zhǎng)安汽車股份有限公司汽車工程研究總院；2.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

論述了整車發(fā)電機(jī)產(chǎn)生噪聲的機(jī)理，并針對(duì)某乘用車開發(fā)過程中存在的整車發(fā)電機(jī)嘯叫案例進(jìn)行研究。通過對(duì)整車發(fā)電機(jī)與單體測(cè)試，找出發(fā)電機(jī)嘯叫的原因?qū)崬槎ㄗ拥膯栴}。通過對(duì)發(fā)電機(jī)定子理論分析與計(jì)算，總結(jié)出該發(fā)電機(jī)定子的3個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)。對(duì)控制點(diǎn)優(yōu)化后進(jìn)行整車驗(yàn)證表明嘯叫問題已解決，同時(shí)建立了發(fā)電機(jī)電磁噪聲開發(fā)目標(biāo)體系。

1 前言

發(fā)電機(jī)噪聲問題一直是汽車產(chǎn)品性能開發(fā)和NVH控制過程中的難點(diǎn)，該噪聲主要通過固體和空氣傳播兩種途徑傳到車內(nèi)[1、2]。為了解決發(fā)電機(jī)噪聲問題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，浙江大學(xué)陳永校等人指出發(fā)電機(jī)應(yīng)該控制其氣隙磁波的大小，使其遠(yuǎn)離定子的固有頻率以防止共振[3]；諸自強(qiáng)用解析法計(jì)算了某型發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)磁場(chǎng)分布，得出結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果非常接近，然后又在前期研究基礎(chǔ)上計(jì)算了改型發(fā)電機(jī)輻射的電磁噪聲[4]；Javadi等人用數(shù)值計(jì)算的方法研究了作用在定子上的電磁力和定子響應(yīng)[5]；Belahhcen采用有限元法對(duì)發(fā)電機(jī)鐵芯和氣隙中的磁場(chǎng)進(jìn)行求解，得出了定子內(nèi)表面的徑向力分布[6]；Taegen等人提出增加發(fā)電機(jī)定子的相數(shù)可以減少氣隙磁波的徑向力，并通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證[7]；Jean等人通過模擬試驗(yàn)的方法發(fā)現(xiàn)通過選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子或定子開槽寬度可以消除開槽力波，進(jìn)而控制電機(jī)整體電磁噪聲的水平[8]。以上主要從理論計(jì)算來研究電磁噪聲，在工程實(shí)踐方面的研究較少，本文主要從目前整車廠遇到的工程項(xiàng)目問題來研究發(fā)電機(jī)噪聲。

2 發(fā)電機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

交流發(fā)電機(jī)噪聲比較復(fù)雜，涉及多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，但是從其機(jī)理上講，可以分為電磁噪聲、氣動(dòng)噪聲和機(jī)械噪聲。

2.1 電磁噪聲

發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，在其磁場(chǎng)氣隙中產(chǎn)生電磁力波，該電磁力波有徑向和切向兩個(gè)分量作用在定子鐵芯上。其中，徑向分量使定子鐵芯產(chǎn)生的振動(dòng)是電磁噪聲的主要來源；而切向分量能夠使定子齒根產(chǎn)生振動(dòng)形變，這也是電磁噪聲的一個(gè)重要來源。另外，由于爪極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在某些特定轉(zhuǎn)速下爪極的振動(dòng)形變所輻射的電磁噪聲會(huì)變得相當(dāng)突出。因此，發(fā)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)件的振動(dòng)引起發(fā)電機(jī)外殼振動(dòng)，進(jìn)而輻射到發(fā)電機(jī)四周，就形成了電磁噪聲[9]。

發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)氣隙中單位面積的徑向電磁力[10]：

式中，B(θ,t)為氣隙磁密，是機(jī)械位移角度θ和時(shí)間t的函數(shù)；μ為真空磁導(dǎo)率。

氣隙中的合成磁場(chǎng)主要由基波磁場(chǎng)、定子和轉(zhuǎn)子繞組諧波磁場(chǎng)、定子和轉(zhuǎn)子氣隙磁導(dǎo)1階齒波磁場(chǎng)組成。

基波磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向力波Pr為：

式中，P0為不變項(xiàng)，是均勻分布在定子上的壓縮應(yīng)力，并不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲；P1為可變項(xiàng)，是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的徑向力波，其產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲的頻率為2f1（f1為電源頻率）。

定子和轉(zhuǎn)子繞組諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的力波Pu可表示為：

式中，Bγ為定子諧波磁通之間的作用；Bu為轉(zhuǎn)子諧波磁通之間的作用，其對(duì)A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)貢獻(xiàn)不大；BvBμ為某一個(gè)定子vα次諧波與一個(gè)轉(zhuǎn)子μb次諧波間的作用。

因此，式（3）可以化簡(jiǎn)為：

令r=μ±v，則r就是磁場(chǎng)徑向力波的極對(duì)數(shù)。定子在徑向力波的作用下產(chǎn)生徑向振動(dòng)變化，進(jìn)而產(chǎn)生電磁噪聲，ω為波的角頻率，Φ為波的相位角。徑向變形的大小與徑向力波的極對(duì)數(shù)r有關(guān)，定子鐵芯變形的幅值大致與r4成反比。在中小型發(fā)電機(jī)中，一般只考慮r≤4的情況，其中r=2時(shí)的徑向力波最容易產(chǎn)生電磁噪聲。

由定子與轉(zhuǎn)子氣隙磁導(dǎo)1階齒諧波所產(chǎn)生的力波可以導(dǎo)致氣隙磁密周期性變化進(jìn)而產(chǎn)生電磁噪聲，其頻率為f=iQn/60，其中i為諧波次數(shù)，Q為齒槽數(shù)，n為轉(zhuǎn)速。

如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子或定子自身的固有頻率與電磁力波的某個(gè)階次頻率很接近，那么即使很小的電磁力也會(huì)引起轉(zhuǎn)子或定子產(chǎn)生共振，進(jìn)而產(chǎn)生很大的電磁噪聲。

發(fā)電機(jī)氣隙偏心時(shí)，由于氣隙磁導(dǎo)的周期性改變，又會(huì)在氣隙磁場(chǎng)中附加一個(gè)諧波磁場(chǎng)，這也會(huì)引發(fā)電磁噪聲。另外,磁路飽和等因素也會(huì)在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，產(chǎn)生附加電磁力，進(jìn)而引發(fā)電磁噪聲。

2.2 氣動(dòng)噪聲

氣動(dòng)噪聲是發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇引起的。由于發(fā)電機(jī)風(fēng)扇產(chǎn)生氣流的局部壓力隨時(shí)間變化十分迅速，進(jìn)而使氣流本身產(chǎn)生劇烈脈動(dòng)，同時(shí)脈動(dòng)氣流與發(fā)電機(jī)風(fēng)路內(nèi)壁摩擦，進(jìn)而形成氣動(dòng)噪聲。

當(dāng)風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)扇周圍的空氣質(zhì)點(diǎn)由于受到扇葉周期力的作用而產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，進(jìn)而輻射出噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率f2與扇葉作用在質(zhì)點(diǎn)上的周期力的頻率相同，即

式中，Zb為扇葉數(shù)；nr為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；k=1，2，3……

如果氣流在流動(dòng)過程中遇到障礙物，由于流體粘滯力的作用，氣流就會(huì)分裂成一系列的小氣流，這種分裂會(huì)使氣流壓縮或者稀疏，從而產(chǎn)生繞動(dòng)并輻射出噪聲。渦流噪聲的頻率可以表示為：

式中，Sh為斯托哈系數(shù)，在0.14～0.20之間；v為氣流與障礙物的相對(duì)速度；D為障礙物的正表面寬度在垂直于速度平面上的投影；i=1，2，3......

渦流噪聲的頻率取決于扇葉與氣流的相對(duì)速度，而扇葉周圍線速度是連續(xù)變化的，所以風(fēng)扇扇葉產(chǎn)生的渦流噪聲是寬頻帶的連續(xù)譜。

2.3 機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲的來源有很多，如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡可引起較大的振動(dòng)，軸承自身以及受其激勵(lì)的發(fā)電機(jī)端蓋的振動(dòng)，電刷與換向器等接觸而產(chǎn)生的摩擦振動(dòng)，這些都會(huì)向外輻射噪聲，另外還有其它類似的機(jī)械噪聲源。其中轉(zhuǎn)子不平衡又有3種情況，即靜、動(dòng)以及混合不平衡。引起轉(zhuǎn)子不平衡的原因有很多[2]，例如轉(zhuǎn)子材料的不均勻、通風(fēng)冷卻的不均勻，同軸度的生產(chǎn)制造偏差以及轉(zhuǎn)軸的制造精度等也都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡而產(chǎn)生機(jī)械噪聲。軸承對(duì)精密度要求極高，滾珠或滾動(dòng)元件的損壞以及零件的變形等都會(huì)產(chǎn)生噪聲，甚至破壞電機(jī)的工作。早期故障可根據(jù)軸承噪聲寬頻特性進(jìn)行診斷識(shí)別。電刷裝置的振動(dòng)噪聲主要分為電刷的振動(dòng)和電刷的摩擦噪聲兩類。

3 工程案例分析控制及目標(biāo)控制

3.1 問題描述

對(duì)某車型在空擋怠速狀態(tài)下進(jìn)行踩/抬油門測(cè)試（怠速tip in/out測(cè)試）并進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在800～2000r/min存在嚴(yán)重高頻口哨聲，嚴(yán)重影響車輛聲品質(zhì)。其發(fā)電機(jī)36階電磁噪聲頻譜圖和階次圖如圖1所示，其中FLR為駕駛員右耳噪聲。

對(duì)該車輛進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該車在800～2 000 r/min出現(xiàn)口哨聲是因?yàn)槠浯嬖诿黠@的發(fā)動(dòng)機(jī)93.6階嘯叫現(xiàn)象，該車型發(fā)電機(jī)傳動(dòng)比為2.6，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)傳動(dòng)比值為36。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在800～2 000 r/min轉(zhuǎn)速內(nèi)，發(fā)電機(jī)36階電磁噪聲與總值差值低于15 dB（A），嘯叫明顯。

3.2 工程分析

為了查找故障發(fā)電機(jī)36階電磁噪聲超標(biāo)的原因，將整車測(cè)試無嘯叫的正常發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子換裝到故障發(fā)電機(jī)上。故障發(fā)電機(jī)更換轉(zhuǎn)子與定子前、后的整車噪聲測(cè)試結(jié)果如圖2～圖4所示。

根據(jù)圖3和圖4可知：

a.故障發(fā)電機(jī)更換成正常發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子后，整車怠速tip in/out測(cè)試時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)2 000 r/min以下車內(nèi)發(fā)電機(jī)36階電磁噪聲水平與故障樣件相當(dāng)，無明顯改變，主觀評(píng)價(jià)有嘯叫，聲品質(zhì)差。

b.故障發(fā)電機(jī)更換成正常發(fā)電機(jī)的定子后，整車怠速tip in/out測(cè)試時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)2 000 r/min以下發(fā)電機(jī)電磁噪聲有明顯降低，最大幅值降低20 dB，主觀評(píng)價(jià)嘯叫明顯改善，聲品質(zhì)好。

通過對(duì)故障發(fā)電機(jī)更換定子和轉(zhuǎn)子對(duì)比試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)定子的不同是造成發(fā)電機(jī)電磁噪聲大小的根本原因。

3.3 電磁噪聲關(guān)鍵點(diǎn)的控制

發(fā)電機(jī)定子的不同參數(shù)能夠嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的電磁噪聲。為了查找故障發(fā)電機(jī)和正常電機(jī)定子的差異，對(duì)發(fā)電機(jī)的定子進(jìn)行理論分析與計(jì)算，總結(jié)出發(fā)電機(jī)生產(chǎn)過程中和噪聲有關(guān)的3個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)，如表1所列。

表1 關(guān)鍵控制點(diǎn)

從對(duì)故障發(fā)電機(jī)定子的參數(shù)測(cè)試看，定子與端蓋的同軸度超標(biāo)，定子浸漆量偏小。定子與端蓋的同軸度偏大，致使定子受磁場(chǎng)力波動(dòng)加大；定子浸漆量偏小，會(huì)造成定子線圈緊固不牢，振動(dòng)會(huì)加劇。以上兩個(gè)原因?qū)е鹿收习l(fā)電機(jī)在滿載加速工況下，發(fā)電機(jī)36階電磁噪聲超標(biāo)，而單體電磁噪聲超標(biāo)的發(fā)電機(jī)在整車會(huì)存在口哨聲。

根據(jù)分析，制作新的發(fā)電機(jī)樣件。該樣件發(fā)電機(jī)定子在生產(chǎn)過程中增加了定子線圈的浸漆量并優(yōu)化定子與端蓋的同軸度，將該樣機(jī)進(jìn)行整車驗(yàn)證，優(yōu)化后發(fā)電機(jī)噪聲頻譜圖如圖5所示，優(yōu)化前、后發(fā)電機(jī)36階電磁噪聲階次對(duì)比如圖6所示。

故障發(fā)電機(jī)定子增加浸漆量與優(yōu)化同軸度后，整車怠速tip in/out測(cè)試時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)2 000 r/min以下車內(nèi)發(fā)電機(jī)36階電磁噪聲明顯低于故障發(fā)電機(jī)，主觀評(píng)價(jià)優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)無嘯叫，聲品質(zhì)好。

3.4 發(fā)電機(jī)電磁噪聲目標(biāo)控制

基于整車狀態(tài)下的車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果，結(jié)合發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和NVH噪聲機(jī)理，確定在整車狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的階次噪聲控制目標(biāo)值，根據(jù)整車的階次噪聲目標(biāo)控制值，將整車狀態(tài)下發(fā)電機(jī)NVH問題分解到單體發(fā)電機(jī)NVH技術(shù)指標(biāo)上，從而控制單體發(fā)電機(jī)NVH目標(biāo)值。在項(xiàng)目開發(fā)早期，開展發(fā)電機(jī)樣件的噪聲驗(yàn)證工作，將目前在后期整車上開展的反復(fù)論證工作前移至對(duì)零部件驗(yàn)收工作中，以降低后期整車狀態(tài)下發(fā)電機(jī)噪聲論證的工作量。根據(jù)優(yōu)化前、后的整車測(cè)試及主觀評(píng)價(jià)結(jié)果制定出整車發(fā)電機(jī)電磁噪聲目標(biāo)控制線。圖7為在整車狀態(tài)下不同發(fā)電機(jī)36階電磁噪聲對(duì)比。

對(duì)整車測(cè)試后，再進(jìn)行發(fā)電機(jī)臺(tái)架單體噪聲測(cè)試，制定出單體發(fā)電機(jī)電磁噪聲目標(biāo)控制線。圖8為不同單體滿載加速狀態(tài)下36階電磁噪聲對(duì)比圖。

4 結(jié)束語

論述了發(fā)電機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，分析了某車型發(fā)電機(jī)產(chǎn)生嘯叫現(xiàn)象的原因及工程控制的思路，探討了發(fā)電機(jī)在整車與單體狀態(tài)下噪聲的相關(guān)性，得出以下結(jié)論:a.發(fā)電機(jī)的定子與端蓋的同軸度、定子浸漆量、定子與端蓋配合公差等參數(shù)是影響發(fā)電機(jī)電磁噪聲的關(guān)鍵因素；

b.在本工程案例中，增加定子線圈的浸漆量并優(yōu)化定子與端蓋的同軸度可以降低電磁噪聲20dB。

1 尚修敏.車用交流發(fā)電機(jī)電磁噪聲仿真分析:[學(xué)位論文].成都:西南交通大學(xué)，2013.

2 惠穎男.車用交流發(fā)電機(jī)噪聲測(cè)試及降噪方法研究:[學(xué)位論文].成都:西南交通大學(xué)，2011.

3 陳永校，諸自強(qiáng)，應(yīng)善成.電動(dòng)機(jī)噪聲的分析與控制.杭州：浙江大學(xué)出版社，1987.

4 Zhu ZQ，Howe D.Instantaneous magnetic field distribution in brushless permanent magnet DC motors，Part II:Arma?ture-Reaction Field.IEEE,1993，29（1）:136～142.

5 Javadi H，Lefevre Y，Chenet S，etal.Electrio-magneto-me?chanical characterizations of the vibration of magnetic ori? gin of electric machines.IEEE Transaction On Magnetics，1995，31（3）:1892～1895.

6 Belahcen A.用于同步發(fā)電機(jī)噪聲分析的徑向力計(jì)算.國(guó)外大電機(jī)，2000（2）：17～20.

7 Taegen F，Kolbe J，Verma SP.Vibration and noise pro?duced by special purpose permanent-magnet synchronous motors in variable frequency operation.Proceeding of 4thIEEE International Conference On Power Electronics and Drive Systems，2001（2）:583～588.

8 Jean.優(yōu)化槽開口寬度以降低感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲.國(guó)外大電機(jī)，2010（3）:30～35.

9 伍先俊，李志明.汽車電機(jī)噪聲機(jī)理和降噪方法.微特電機(jī)，2003（1），14～16.

10 劉敏.汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲振動(dòng)特性的試驗(yàn)研究:[學(xué)位論文].成都:西南交通大學(xué)，2010.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年4月29日。

Development and Control of Vehicle Alternator NVH Performance

Wang Wei,Zhang Jun,Zhou Weichao,Zhao Qin
（1.Changan Automotive Engineering Institute,Changan Automobile Co.,Ltd;2.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology）

This paper discusses the generation mechanism of vehicle alternator noise,and researches on squealing noise of vehicle alternator in the development of a passenger car.By unit level and vehicle level tests,we find the alternator squealing is caused by stator.Three critical control points related to alternator stator are summarized through theory analysis and calculation.The vehicle test with optimization of the control points shows that the squealing noise is eliminated,meanwhile alternator electromagnetic development objective system is established.

Passenger car,Alternator,Electromagnetic noise

乘用車 發(fā)電機(jī) 電磁噪聲

U462.3

A

1000-3703（2015）05-0021-04