張 浩，賀巖松，徐中明，張志飛

(重慶大學(xué) 汽車工程學(xué)院，重慶 400044）

某型爪極發(fā)電機(jī)的模態(tài)仿真與試驗(yàn)分析

張 浩，賀巖松，徐中明，張志飛

(重慶大學(xué) 汽車工程學(xué)院，重慶 400044）

爪極發(fā)電機(jī)固有頻率和模態(tài)振型的準(zhǔn)確計(jì)算是降低電機(jī)振動(dòng)和噪聲的基礎(chǔ)。基于某型車用爪極發(fā)電機(jī)，噪聲試驗(yàn)顯示其存在結(jié)構(gòu)共振導(dǎo)致的電磁噪聲偏大問題。首先建立定子鐵芯整體模型，在考慮端部繞組的情況下對(duì)線圈進(jìn)行等體積式建模，并完成了整機(jī)模型的建立。對(duì)材料參數(shù)等效處理，通過數(shù)值軟件進(jìn)行零部件和整機(jī)的自由模態(tài)仿真，自由模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的最大誤差為7.1%，二者具有較好的一致性。最后完成整機(jī)約束模態(tài)試驗(yàn)和仿真，驗(yàn)證建模方法和模態(tài)分析的有效性?？蔀橥愋妥O發(fā)電機(jī)建模和模態(tài)計(jì)算提供參考。

振動(dòng)與波；爪極發(fā)電機(jī)；建模；模態(tài)仿真；模態(tài)試驗(yàn)；電磁噪聲

爪極發(fā)電機(jī)作為汽車蓄電池和電器的供電源而得到廣泛應(yīng)用，是汽車的重要結(jié)構(gòu)噪聲輻射部件。電機(jī)的振動(dòng)噪聲不僅會(huì)導(dǎo)致電機(jī)疲勞、縮短生命周期，還嚴(yán)重影響產(chǎn)品NVH性能和競(jìng)爭(zhēng)力。為更好地控制電機(jī)振動(dòng)噪聲，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析成了各大廠商的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

爪極發(fā)電機(jī)噪聲由電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力性噪聲三部分構(gòu)成,常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其電磁噪聲和機(jī)械噪聲占主導(dǎo)地位[1]。隨著加工精度和裝配工藝的提升，機(jī)械噪聲能夠得到比較好的控制[2]。在某知名汽車公司的半消聲室內(nèi)測(cè)試的樣機(jī)噪聲聲壓級(jí)曲線如圖1所示。

圖1 空載和負(fù)載工況噪聲聲壓級(jí)-轉(zhuǎn)速曲線

從圖1可以看出，中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，負(fù)載工況下的電磁噪聲聲壓級(jí)偏高，嚴(yán)重影響整車的NVH性能。電磁噪聲是當(dāng)電磁力頻率與發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率相接近時(shí)因產(chǎn)生共振而輻射出較強(qiáng)的噪聲[3]。

因此，深入研究發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，準(zhǔn)確建立電機(jī)零部件和整機(jī)模型并進(jìn)行模態(tài)分析是抑制電磁振動(dòng)噪聲的基礎(chǔ)[4]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)汽車發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特性開展了大量的研究，文獻(xiàn)[5]考慮定子和機(jī)座的作用，提出了定子固有頻率的公式，計(jì)算定子的固有頻率和振動(dòng)特性，并研究了鐵芯厚度和長(zhǎng)度的影響。文獻(xiàn)[6]分析了鐵心齒、繞組等部件對(duì)定子結(jié)構(gòu)固有模態(tài)的影響，指出對(duì)于高階的固有模態(tài)，定子鐵心齒不能再以簡(jiǎn)單的附加質(zhì)量來近似處理，浸漆繞組可以提高定子的固有頻率。文獻(xiàn)[7]對(duì)發(fā)電機(jī)定子端部繞組進(jìn)行模態(tài)分析,并對(duì)模態(tài)分析結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[8]將定子繞組等效為空心圓柱體,其有限元分析結(jié)果與敲擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。文獻(xiàn)[9]對(duì)汽車發(fā)電機(jī)零部件及整機(jī)的模態(tài)進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)對(duì)比，但整機(jī)模態(tài)仿真時(shí)將轉(zhuǎn)子做了大量簡(jiǎn)化?？梢姡O發(fā)電機(jī)建模和模態(tài)分析還需要進(jìn)一步研究。

文中以某爪極發(fā)電機(jī)為對(duì)象，建立前端蓋、轉(zhuǎn)子等模型，并用等體積方式建立了定子等效模型，簡(jiǎn)化處理其它零部件后，裝配整機(jī)三維模型?；谟邢拊浖?duì)定子等零部件和整機(jī)進(jìn)行了模型仿真，并利用模態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，二者結(jié)果具有較高的一致性，為同類型爪極發(fā)電機(jī)模態(tài)分析提供了參考。

1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，可用來獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。爪極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程為

式中K為定子的剛度矩陣，M為定子的質(zhì)量矩陣，R為定子的阻尼矩陣，F(xiàn)為節(jié)點(diǎn)力矢量， 為偏離原來平衡位置的廣義位移矢量。

對(duì)于自由振動(dòng)結(jié)構(gòu)，其R={0}，F(xiàn)={0}，時(shí)間導(dǎo)數(shù)用jω代替（其中ω為角頻率），則結(jié)構(gòu)的無阻尼自由振動(dòng)方程為

方程(2)有解的條件為

式中ω為結(jié)構(gòu)的固有頻率，特征向量{x(t)}為結(jié)構(gòu)的各階振型。

2 模態(tài)仿真

2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)建模

爪極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為便于建模和后續(xù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，建模時(shí)忽略電子元件等小質(zhì)量小剛度零部件，保留端蓋、轉(zhuǎn)子、定子、軸、軸承、螺栓和線圈的主要結(jié)構(gòu)。

定子由鐵芯和線圈構(gòu)成，其建模和模態(tài)分析是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。定子鐵芯采用硅鋼片疊壓而成，其建模和模態(tài)分析是重難點(diǎn)，本文采用建立實(shí)體模型的方式，并縮小鐵芯力學(xué)參數(shù)來計(jì)算其固有頻率[10]。定子線圈極具不規(guī)則性，且對(duì)定子的固有頻率的影響較大。文獻(xiàn)[8]將端部繞組等效成與實(shí)際繞組體積相同的空心圓柱體，繞組密度按銅線、絕緣材料和氣隙的比例來等效。文獻(xiàn)[11]直接將繞組的質(zhì)量加到定子齒中，使定子齒的密度增大，從而來計(jì)算定子的模態(tài)頻率。文獻(xiàn)[12]將繞組用直導(dǎo)線代替，利用有限元法進(jìn)行了模態(tài)分析，忽略繞組端部質(zhì)量和剛度的影響。本文在處理繞組時(shí)，根據(jù)實(shí)際繞組分布規(guī)律和體積輪廓進(jìn)行建模，即建立等體積模型，考慮了繞組端部質(zhì)量對(duì)固有頻率的影響，建立的定子模型如圖2所示。

圖2 定子模型

軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文將其簡(jiǎn)化成空心圓柱體結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子線圈按照一定規(guī)則纏繞在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，將其按照實(shí)際輪廓進(jìn)行等效建模。建立好各零部件模型后，裝配得到整機(jī)模型，其結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖3所示。

圖3 爪機(jī)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型

2.2 電機(jī)模態(tài)仿真

模態(tài)仿真采用數(shù)值軟件Ansys進(jìn)行，電機(jī)內(nèi)部有效接觸只能為線性形式，因此電機(jī)內(nèi)部的合理接觸設(shè)置是關(guān)鍵點(diǎn)。軸承位于軸和端蓋之間，仿真時(shí)將端蓋和軸承采用綁結(jié)接觸，而軸和軸承利用轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行約束。端蓋內(nèi)表面和定子外表面之間接觸復(fù)雜，本文在四個(gè)螺栓孔附近將端蓋和定子采用綁結(jié)形式，剩余部分允許小位移移動(dòng)。網(wǎng)格剖分完成后，其整機(jī)的有限元模型如圖4所示。

樣機(jī)的材料參數(shù)需根據(jù)仿真和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證更新，確定后的主要材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖4 發(fā)電機(jī)整機(jī)有限元模型

表1 發(fā)電機(jī)零部件材料力學(xué)參數(shù)

從圖1可以看出，電磁噪聲的主要在中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（即1 500 r/min～5 000 r/min）突出，其噪聲頻率主要在3 000 Hz以內(nèi)，因此本次結(jié)構(gòu)仿真只取前3階固有頻率結(jié)果進(jìn)行分析。前端蓋、定子和整機(jī)的結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真結(jié)果如表2所示。

表2 發(fā)電機(jī)零部件模態(tài)仿真結(jié)果

轉(zhuǎn)子作為電機(jī)的重要零部件，但其1階固有頻率超出3 000 Hz，因此文中并未列出轉(zhuǎn)子模態(tài)分析結(jié)果。前端蓋、定子和整機(jī)的前3階模態(tài)振型如圖5－7所示。

圖5 前端蓋前3階模態(tài)振型

圖6 定子前3階模態(tài)振型

從圖5－圖7看出，端蓋模態(tài)振型分別為橢圓形和三角形；定子模態(tài)振型分別為橢圓形、三角形和四邊形；整機(jī)模態(tài)振型分別為軸向振動(dòng)、橢圓形和三角形。在中低頻范圍內(nèi)，電機(jī)整機(jī)模態(tài)振型與零部件模態(tài)振型較接近，主要為橢圓和三角振型。

圖7 發(fā)電機(jī)整機(jī)前3階模態(tài)振型

3 模態(tài)試驗(yàn)

模態(tài)試驗(yàn)可以提取結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等動(dòng)態(tài)特性，廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)[13]。獲得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)對(duì)確定有限元模型可靠性，以及驗(yàn)證模態(tài)仿真模型和零部件間接觸形式的正確性具有重要意義。

3.1 自由模態(tài)試驗(yàn)

模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三部分，即激振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和模態(tài)分析系統(tǒng)。激振系統(tǒng)為江蘇聯(lián)能力錘，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為16通道的LMS SCR02型，模態(tài)分析軟件為L(zhǎng)MS Test.Lab，本次模態(tài)試驗(yàn)基本原理如圖8所示。

圖8 模態(tài)試驗(yàn)基本原理圖

試驗(yàn)采用固定傳感器和移動(dòng)力錘的方式進(jìn)行，敲擊點(diǎn)選取原則是在避開各階節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，盡可能多地代表整個(gè)輪廓。試驗(yàn)時(shí)用激勵(lì)錘對(duì)零部件施加隨機(jī)沖擊激勵(lì)，用加速度傳感器測(cè)量加速度信號(hào)。通過力錘的沖擊力時(shí)域信號(hào)和加速度計(jì)的響應(yīng)信號(hào)一起進(jìn)行頻響函數(shù)估計(jì),就可得到固有頻率。定子和整機(jī)自由模態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖9所示。

圖9 定子和整機(jī)模態(tài)試驗(yàn)布置圖

在采用錘擊法模態(tài)試驗(yàn)過程中，信號(hào)的采集和處理非常重要。試驗(yàn)時(shí)采取合適的敲擊力度，并使敲擊信號(hào)盡量與脈沖信號(hào)一致[14]。試驗(yàn)過程中傳遞函數(shù)的相干系數(shù)保證在0.85以上。為減少隨機(jī)誤差，可采用多次敲擊每個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行平均計(jì)算，保證試驗(yàn)的可靠性[15]。

3.2 自由模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

為和仿真構(gòu)成對(duì)比，采用錘擊法的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果只分析結(jié)構(gòu)前3階的頻率成分。表3為前端蓋、定子和整機(jī)的自由模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果顯示，各零部件和整機(jī)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果誤差均在7.5%以內(nèi)，二者一致性較高。

表3 發(fā)電機(jī)零部件模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

3.3 約束模態(tài)試驗(yàn)

電機(jī)工作時(shí)處于約束狀態(tài)，其固有頻率也會(huì)有一定改變，為此，本文加入約束模態(tài)試驗(yàn)和仿真進(jìn)行對(duì)比，傳感器直接沿用自由模態(tài)試驗(yàn)的布置方式。樣機(jī)約束模態(tài)試驗(yàn)布置如圖10所示，利用夾具將端蓋的安裝孔固定住。

圖10 整機(jī)約束模態(tài)試驗(yàn)布置圖

整機(jī)約束模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果在1 500 Hz以內(nèi)沒有出現(xiàn)固有頻率點(diǎn)。表4列出了約束模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比，最大誤差為4.4%，仿真結(jié)果具有很高的可靠性。

表4 發(fā)電機(jī)約束模態(tài)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)果分析

為了進(jìn)一步研究噪聲各個(gè)階次在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)發(fā)電機(jī)總輻射噪聲的影響程度，在0～6 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對(duì)負(fù)載工況的各個(gè)階次噪聲的聲貢獻(xiàn)量進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖11所示。

從圖11可以看出，電機(jī)36階次頻率成分是主要噪聲峰值，并在2 750 r/min和3 400 r/min轉(zhuǎn)速有較大峰值，對(duì)于該型36槽電機(jī)，即對(duì)應(yīng)1 650 Hz和2 040 Hz附近出現(xiàn)共振，各頻率結(jié)果對(duì)比如表5所示。對(duì)于模態(tài)試驗(yàn)的第3階次頻率未出現(xiàn)共振噪聲，可能原因有試驗(yàn)誤差，或者噪聲測(cè)試時(shí)負(fù)載工況下電機(jī)狀態(tài)的影響。

圖11 電磁噪聲聲貢獻(xiàn)量分析

表5 各頻率結(jié)果分析

5 結(jié)語

本文建立爪極發(fā)電機(jī)零部件和整機(jī)模型，通過試驗(yàn)更新材料力學(xué)參數(shù)，零部件的自由模態(tài)仿真結(jié)果誤差在7.5%以內(nèi)，整機(jī)的自由模態(tài)仿真結(jié)果在2%以內(nèi)，滿足工程設(shè)計(jì)需要。

完成了爪極發(fā)電機(jī)的約束模態(tài)試驗(yàn)和仿真，二者結(jié)果具有很好的一致性，并從階次和頻率上分析了電磁噪聲偏大的原因，表明了有限元模態(tài)仿真的準(zhǔn)確性。這為同類型爪極發(fā)電機(jī)模態(tài)分析提供了參考，是電磁噪聲控制的基礎(chǔ)。

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Modal Simulation and TestAnalysis of a Claw-poleAlternator

ZHANG Hao,HE Yan-song,XU Zhong-ming,ZHANG Zhi-fei
(College ofAutomotive Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044)

Precise calculation of natural frequencies and mode shapes is the foundation of vibration and noise reduction for claw-pole alternators.Noise test of a claw-pole alternator shows that it has the problem of overlarge electromagnetic noise due to the structure resonance.In this article,the model of the stator core and the equivalent volume model of the coil including the end winding are built.Meanwhile,the whole alternator model is established.Material parameters are also processed equivalently.The free vibration modals of the components and the whole alternator are simulated by means of finite element software.It is found that the test results and the simulation results are in good agreement and their maximum error is only 7.1%.Finally,the modal test and simulation in constraint state are completed and the effectiveness of the modeling and the modal analysis method is verified.

vibration and wave;claw-pole alternator;modeling;modal analysis;modal test;electromagnetic noise

TM301.4

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.011

1006-1355(2017)03-0058-04+95

2016-12-12

汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（Q145615）

張浩（1991－），男，重慶市云陽縣人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v振動(dòng)噪聲控制。E-mail:zhanghao_0803@163.com

賀巖松，男，湖南省雙豐縣人，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:hys68@cqu.edu.cn