吳雙龍， 左曙光， 鄧文哲， 鐘鴻敏， 孫 罕

(1.同濟大學新能源汽車工程中心 上海，201804) (2. 上海汽車工業(yè)集團上海法雷奧汽車電器系統有限公司 上海，201201)

引 言

爪極發(fā)電機由于其具有結構簡單、制造成本低廉以及可靠性高的特點在汽車發(fā)電機領域得到了廣泛的應用[1-2]。然而爪極發(fā)電機也存在效率低、輸出特性差和噪聲嚴重等缺點[3-4]。尤其是作為汽車發(fā)電機使用時，由于內燃機等傳統主要噪聲源的噪聲已經得到了有效的控制，發(fā)電機的噪聲便突顯出來，已成為汽車主要噪聲源之一。

為了降低電機的噪聲，首先需要識別主要的噪聲來源。根據噪聲產生的機理，電機的噪聲可以分為三大類[5]：機械噪聲、氣動噪聲和電磁噪聲。由于爪極發(fā)電機是一個復雜的裝配體，結構緊湊，外形不規(guī)則，僅僅依靠理論和仿真很難得到準確的噪聲特性，所以基于試驗對爪極發(fā)電機的噪聲進行全面分析。

關于電機的噪聲試驗，目前國內外已有不少學者進行了相關的工作，但大多針對的是電動機。Fiedler等[6]通過試驗識別了開關磁阻電機的主要噪聲源，指出由轉子開槽引起的氣動噪聲是開關磁阻電機的一個重要噪聲來源，并且提出了相應的降噪方法。張承寧等[7]通過傳聲器陣列對電動汽車用電機驅動系統在穩(wěn)態(tài)工作時的噪聲源進行了識別，指出低頻噪聲主要來自冷卻風扇，中頻噪聲主要來自變速箱，高頻時風扇和變速箱均為主要噪聲源。Wang等[8]通過對電機振動信號的頻譜分析識別了主要的噪聲來源。李輝等[9]采用選擇運行法對汽車天窗及其系統進行噪聲測試，指出天窗電機噪聲是天窗系統的主要噪聲源，并且對天窗電機的噪聲頻譜進行了分析。Andrea等[10]通過對車用小型無刷直流電機進行噪聲測試和分析，指出齒槽轉矩是電機噪聲的主要來源。發(fā)電機方面，相關研究目前還比較少，張亞東等[11]通過試驗對車用爪極發(fā)電機的氣動噪聲進行了試驗，但只分析了散熱風扇的噪聲，而沒有對轉子轉動和定子開槽產生的氣動噪聲進行分析。符為榕等[12]對爪極發(fā)電機的電磁噪聲進行了試驗，指出低速階段以電磁噪聲為主，但沒有對電磁噪聲產生的機理進行準確分析。

由于爪極發(fā)電機的結構和工作原理與普通電動機有較大的不同，其噪聲來源豐富且不同噪聲源的噪聲階次相互重疊，另外其噪聲機理也有待研究。所以為了達到降噪的目的，首先必須對其噪聲源進行準確識別和分析，然后利用階次分析的方法識別了機械噪聲、氣動噪聲和電磁噪聲，并通過流場仿真和電磁場理論解釋了氣動噪聲和電磁噪聲產生的機理。本研究的分析結果為爪極發(fā)電機的降噪設計和優(yōu)化提供了試驗支持。

1 爪極發(fā)電機噪聲測試

1.1 爪極發(fā)電機結構

圖1為目前廣泛使用的電勵磁爪極發(fā)電機，主要由皮帶輪、前后端蓋、定子和爪極轉子等部件組成，其中定子鐵芯通過前后端蓋夾緊固定，轉子則通過滾珠軸承支撐在前后端蓋上。為了散熱需要，前后端蓋上開有通風孔，此外轉子上還有冷卻風扇。該型號發(fā)電機的定子開有36個槽，用于安放電樞繞組，轉子有6對極爪，前風扇有11個葉片，后風扇有10個葉片。

圖1 爪極發(fā)電機結構圖Fig.1 Exploded view of a claw pole alternator

1.2 試 驗

為了對爪極發(fā)電機的噪聲進行全面分析，選取了同一型號的4臺樣機進行測試：帶前后風扇的1#樣機；不帶前后風扇的2#樣機；只帶前風扇的3#樣機；只帶后風扇的4#樣機。4臺樣機除了風扇的區(qū)別外其他部分完全相同，具體轉子結構如圖2所示。整個試驗過程參照國家標準[13]進行，具體試驗裝置如圖3所示。

圖2 試驗樣機轉子結構Fig.2 Rotor structures of prototypes

圖3 發(fā)電機噪聲測試臺架Fig.3 Alternator noise test bench

將發(fā)電機安裝在臺架上，通過皮帶與驅動電機相連，用于模擬發(fā)電機在汽車上的運行工況。在電機機殼表面布置1個加速度傳感器，用于測量徑向振動，在半徑為1 m的半球面上布置20個麥克風，用于測量總聲壓級，然后通過公式(1)和(2)可以得到總聲功率級LW

(1)

(2)

2 噪聲源識別與分析

2.1 機械噪聲

爪極發(fā)電機正常發(fā)電運行時機械噪聲、氣動噪聲和電磁噪聲三者同時存在，為了識別出機械噪聲，需要排除電磁噪聲和氣動噪聲的干擾?？蛰d運行時沒有電磁力從而可以排除電磁噪聲的影響，而選用不帶風扇的2#電機則可以排除風扇產生的氣動噪聲的影響，但由轉子轉動和定子開槽引起的氣動噪聲卻不能排除，不過可以借助振動信號來加以識別。圖4為2#電機在空載加速工況下測得的振動和噪聲信號。

圖4 2#樣機空載加速時的振動噪聲信號Fig.4 Vibration and noise of prototype 2# at no-load and acceleration

由圖4可知，2#電機在空載加速時的振動主要為1～6階的低階振動，同時在噪聲信號中也能找到相應階次的噪聲，因此1～6階振動和噪聲主要為機械振動和機械噪聲，由電機轉子系統不平衡、軸承、碳刷以及傳動皮帶的振動等因素產生。此外在噪聲信號中還發(fā)現有6k(k=1, 2, …)階噪聲，但這些階次的噪聲中除了6階外并沒有與之對應的振動信號，由后文分析可知這些噪聲屬于氣動噪聲，由轉子旋轉和定子開槽引起。

2.2 氣動噪聲

在識別機械噪聲的基礎上，接下來對氣動噪聲進行識別。由于爪極發(fā)電機氣動噪聲來源豐富，為了對不同氣動噪聲源進行識別，選用了圖2所示的4臺不同結構的電機(1#, 2#, 3#和4#)進行空載噪聲測試，因為空載可以排除電磁噪聲的干擾，結果如圖5所示。1#電機作為完整的電機(帶前后風扇)，其空載噪聲包含了爪極發(fā)電機的所有氣動噪聲，因此由圖5(a)可知爪極發(fā)電機的氣動噪聲主要包括6, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 18, 24, 36等階次，下面將對這些氣動噪聲作進一步識別。

由圖5(a)和(b)的對比可以看出，1#電機和2#電機的8, 10, 11, 12, 13, 14階噪聲差異比較大，1#電機帶風扇而2#電機不帶風扇，因此這些階次主要由前、后風扇產生。進一步對比圖5(c)和(d)發(fā)現，帶前風扇的3#電機11, 12和13階噪聲比較突出，帶后風扇的4#電機8, 10, 12, 14階噪聲比較突出，因此11和13階噪聲由前風扇產生，8, 10和14階主要由后風扇產生，而12階噪聲前、后風扇均會產生。

進一步觀察圖5可以發(fā)現,除了機械噪聲和風扇產生的氣動噪聲外，4臺電機均出現6k(k=1, 2, …)階氣動噪聲，推斷由轉子旋轉和定子開槽引起。

圖5 4臺樣機在空載加速時的總聲功率級Fig.5 Sound power level of four prototypes at no-load and acceleration

根據階次噪聲的矢量合成方法[14]和流場仿真，以上各階次氣動噪聲均可從電機結構上找到相應的來源依據。如圖6所示，電機前風扇有11個完全不等距分布的葉片，所以將產生11, 12, 13等連續(xù)階次的噪聲；后風扇有10個葉片，且以5個葉片為一組呈中心對稱分布，所以將產生8, 10, 12等偶數階噪聲。同時轉子上有6對極爪，旋轉時將產生6k(k=1, 2, …)階氣動噪聲，此外定子上開有36個槽口，通過仿真可以發(fā)現在電機運行時每個槽口附近有明顯的回流區(qū)域(如圖7所示)，將產生36階噪聲。

圖6 電機前后風扇結構Fig.6 Structures of front and rear fans

圖7 電機內部氣流場Fig.7 Flow field in the alternator

2.3 電磁噪聲

在識別機械噪聲和氣動噪聲的基礎上，接下來對電磁噪聲進行識別。電磁噪聲由電磁力產生，只有在負載工況才出現，為了盡量排除其他噪聲源的干擾，選用不帶風扇的2#電機進行測試，其振動和噪聲結果如圖8和圖9所示。

圖8 2#樣機負載加速時的振動信號Fig.8 Vibration of prototype 2# at load and acceleration

圖9 2#樣機空載和負載時的總聲功率級Fig.9 Sound power level of prototype 2# at no-load and load

由圖8可以看出，負載時電機表面的振動主要以6k(k=1,2,…)階為主，由電磁力產生。由圖9可知，負載相比空載其噪聲并沒有增加額外的階次成分，只是中低轉速(6 000 r/min)以下的噪聲變得更加突出，尤其是36階噪聲，說明該轉速范圍內的噪聲受負載影響較大，主要為電磁噪聲；而中高速階段空載和負載噪聲基本相同，說明此時氣動噪聲占主導，這也證明即使沒有風扇，旋轉的轉子和開槽的定子同樣會產生明顯的階次噪聲，對氣動噪聲有顯著的影響。

由于電磁噪聲是在電磁力激勵下的電機結構振動產生，因此可以通過電磁力的階次來進一步判斷電磁噪聲的階次。由麥克斯韋應力張量法可得作用在電機上引起電磁噪聲的徑向電磁力為

(3)

其中:Br為徑向氣隙磁密;μ0為真空磁導率。

當忽略飽和時，爪極發(fā)電機氣隙磁場可以通過磁動勢和磁導相乘求得，即

Br=(Fstator+Frotor)Λ

(4)

其中：Fstator和Frotor分別為定子和轉子磁動勢；Λ為氣隙磁導。

由于爪極發(fā)電機轉子結構的特殊性，其磁導函數隨電機空間位置和時間發(fā)生變化，不過磁導函數的空間項不會影響電磁力的頻率特征，所以只要考慮帶有時間項的那部分磁導。磁動勢和氣隙磁導可以用傅里葉級數表示為

(5)

(6)

(7)

其中：Aν,Aμ和Ak分別為定、轉子磁動勢和氣隙磁導的幅值；p為電機極對數；ωm為機械角速度；t為時間；θ為空間機械角度。

將式(4)～(7)代入式(3)，由三角函數積化和差可得

(8)

由式(8)可知，爪極發(fā)電機的電磁力是時間和空間角度的函數，電磁力的頻率只與時間項有關，即只與三角函數中t前面的系數有關，故由式(8)推得爪極發(fā)電機的徑向電磁力頻率為

f=(k1±k2±μ)pfr

(9)

其中：k1和k2為磁導諧波次數，取正整數；μ為轉子磁動勢諧波次數，也取正整數；fr為電機旋轉頻率。

由式(9)可進一步推得爪極發(fā)電機的電磁力頻率為kpfr(k=1,2,…)，又因為極對數p為6，所以電磁力頻率為電機轉頻的6k倍，進而產生6k(k=1,2,…)階電磁振動和噪聲。

通過以上分析,識別了爪極發(fā)電機主要噪聲的階次特性及其具體來源，現將其歸納匯總，如表1所示。

表1 爪極發(fā)電機主要噪聲源匯總

3 噪聲貢獻量分析

通過上述對試驗數據的分析識別了爪極發(fā)電機的三大噪聲源，為了實現降噪目的，還需要進一步分析各噪聲源的貢獻量，以確定不同工況下噪聲的主要來源，從而為優(yōu)化設計提供明確的方向。

由于1#電機帶前后風扇，其負載工況下的噪聲包含了爪極發(fā)電機的所有噪聲。圖10為1#電機在負載加速工況下總聲功率級的主要階次，從中可以看出：負載時，1階和6階(此時的6階噪聲包含機械噪聲、氣動噪聲和電磁噪聲)噪聲均比較小，所以機械噪聲對總體噪聲的影響很??；中低轉速階段以36階噪聲為主，由前面的分析可知該36階噪聲為電磁噪聲；高轉速階段以8, 10, 11, 12, 13階氣動噪聲為主，主要由風扇產生，其中又以后風扇產生的8, 10和12階最為突出。

圖10 1#樣機負載總聲功率級主要階次Fig.10 Main orders of sound power level of prototype 1# at load

圖11為4臺樣機在空載和負載時的總聲功率級以及36階噪聲的對比。由圖11(a)可以看出，電磁噪聲只在中低轉速(6 000 r/min)以下對總體噪聲產生影響，中高轉速階段1#電機和2#電機各自的空載和負載曲線基本重合，說明此時氣動噪聲占主導，而且在高速階段1#電機總聲功率級比2#電機高大約10 dB(A)，說明風扇是氣動噪聲的最主要來源，基本起決定性作用；此外還發(fā)現，只帶后風扇的4#電機比只帶前風扇的3#電機的噪聲大，這是因為后風扇扇葉的掃風面積比前風扇的大。

由圖11(b)可以看出：空載時，4臺樣機的36階噪聲基本相同，說明風扇對36階噪聲的影響很小，空載時的36階噪聲主要由轉子旋轉以及定子開槽引起；負載時，中低轉速(6 000 r/min)以下的36階噪聲比空載時大很多，主要由電磁力產生，而中高轉速階段，空載和負載36階噪聲基本相同，說明此時36階電磁噪聲相比36階氣動噪聲小很多，氣動噪聲占主導，由轉子旋轉以及定子開槽引起。

圖11 4臺樣機的總聲功率級和36階噪聲Fig.11 Sum level and order 36 of sound power level of four prototypes

4 結 論

1) 爪極發(fā)電機轉子系統不平衡、軸承、碳刷以及傳動皮帶的振動等因素會產生1～6階的機械噪聲，不過幅值較小，對電機整體噪聲影響不大。

2) 前、后風扇，轉子極爪以及開槽定子均會產生氣動噪聲，其中前風扇產生11, 12, 13等整數階噪聲，后風扇產生8, 10, 12等偶數階噪聲，轉子產生6k(k=1, 2, …)階噪聲，定子產生36階噪聲。

3) 負載時爪極發(fā)電機的電磁力為6k(k=1, 2, …)階，從而會產生6k階電磁噪聲。

4) 爪極發(fā)電機正常運行時，中低轉速(6 000 r/min)以下以36階電磁噪聲為主；高轉速階段以8, 10, 12階氣動噪聲為主，且主要由后風扇產生。

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