楊平

摘 要：為研究某同步交流電機(jī)的噪聲來源和噪聲變化規(guī)律，該文通過試驗(yàn)對交流電機(jī)的噪聲特性進(jìn)行研究。首先設(shè)計(jì)開發(fā)了電機(jī)噪聲振動分析系統(tǒng)，采集電機(jī)在空載及負(fù)載狀態(tài)下噪聲的時(shí)域信號;其次利用頻譜、階次分析等方法，找出了發(fā)電機(jī)在兩種工況下噪聲峰值的主要階次成分，并找到了電磁噪聲出現(xiàn)峰值現(xiàn)象的原因。分析結(jié)果表明，電機(jī)在空載工況下，風(fēng)扇噪聲是最大的噪聲源;負(fù)載工況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在3000r/min和6000r/min附近出現(xiàn)的噪聲峰值是由36階徑向電磁力波引起電機(jī)機(jī)殼的共振而產(chǎn)生的。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī);電磁噪聲;噪聲試驗(yàn);階次分析

中圖分類號：TM306 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）16-140-03

Abstract： In order to study the noise of a vehicle synchronous AC motor ，the noise characteristics of a vehicles alternator were studied experimentally. Firstly， the noise vibration analysis system of motor vehicle is designed and developed， and the time domain signal of the noise of the motor in no-load and load condition is acquired. 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 the cause of peak phenomenon of electromagnetic noise was found. The results show that the fan noise is the biggest noise source under no-load condition ，and In the load condition， the noise peak at the vicinity of 3000r/min and 6000r/min is generated by the resonance of the 36-step radial electromagnetic wave causing the motor end cover.

Keywords： Automobile generator; Electromagnetic noise; Noise test-bed; Order analysis

CLC NO.： TM306 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）16-140-03

引言

隨著用戶對汽車乘坐舒適性要求的不斷提高，對車載發(fā)電機(jī)的噪聲，尤其是怠速工況時(shí)發(fā)電機(jī)的噪聲提出了更加嚴(yán)格的要求[1]。發(fā)電機(jī)的振動和噪聲水平也是評價(jià)汽車發(fā)電機(jī)性能好壞的重要標(biāo)志之一。因此，對車載交流電機(jī)噪聲進(jìn)行研究不僅是市場的需求，更是企業(yè)解決電機(jī)噪聲問題，提升產(chǎn)品性能的重要課題。

近年，隨著高校和科研機(jī)構(gòu)對發(fā)電機(jī)理論和試驗(yàn)研究的重視，我國在電機(jī)噪聲評價(jià)與控制方面積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。吳小珊、施全等人提出了一種基于噪聲主觀評價(jià)結(jié)果，采用階次分析的乘用車啟動電機(jī)客觀評價(jià)方法，解決了電機(jī)噪聲聲品質(zhì)的評價(jià)問題[2]。鄭江利用多物理場有限元仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對異步電機(jī)的噪聲問題進(jìn)行了研究并提出了抑制方法[3]。林福、左曙光等通過試驗(yàn)對常見的機(jī)械噪聲和電磁噪聲特點(diǎn)進(jìn)行了研究，通過此項(xiàng)研究工作可識別永磁同步電機(jī)的每一階次噪聲和共振噪聲的來源[4]。于莫巖、劉茜等人利用有限元仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對永磁同步電動機(jī)高頻噪聲激勵(lì)源和噪聲特點(diǎn)進(jìn)行了研究，得出了高頻幅值噪聲頻率與變頻器開關(guān)頻率的對應(yīng)關(guān)系式[5]。符為榕、陸益民等人針對車用交流發(fā)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下噪聲值偏高并伴有嘯叫聲的現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)方法對發(fā)電機(jī)的電磁噪聲特性進(jìn)行了研究[6]。

本文結(jié)合某研究院對電機(jī)振動噪聲的測試研究項(xiàng)目，設(shè)計(jì)開發(fā)了車載交流電機(jī)噪聲振動分析系統(tǒng)，運(yùn)用噪聲測試儀及噪聲分析軟件進(jìn)行不同加載條件下噪聲值的測試和對比分析。該系統(tǒng)既可有效地對交流電機(jī)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)態(tài)噪聲進(jìn)行測試，也可對其在升/降速、瞬態(tài)等非穩(wěn)態(tài)過程的噪聲進(jìn)行監(jiān)測和分析，進(jìn)而為降低車載交流發(fā)電機(jī)的振動噪聲提供了數(shù)據(jù)和思路。

1 測試分析系統(tǒng)

本次試驗(yàn)的采樣頻率和分析頻率分別為：48000Hz和20480Hz。試驗(yàn)臺架用聲壓傳感器G.R.A.S46AE記錄交流發(fā)電機(jī)的噪聲信號，用兩個(gè)分別布置在發(fā)電機(jī)前端蓋和發(fā)電機(jī)安裝支點(diǎn)上的加速度傳感器采集交流發(fā)電機(jī)的振動信號，用光電轉(zhuǎn)速傳感器對轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測。試驗(yàn)臺機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動電機(jī)用來模擬發(fā)動機(jī)，對試驗(yàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

2 交流發(fā)電機(jī)噪聲試驗(yàn)及分析

2.1 空載噪聲試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)空載時(shí)的噪聲主要為空氣動力噪聲和機(jī)械噪聲，空氣動力性噪聲來源是電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)中氣流壓力的局部迅速變化和隨時(shí)間的急劇脈動，以及通風(fēng)氣流與電機(jī)風(fēng)路管道的摩擦[2]?？諝庠肼暤奶卣黝l率計(jì)算公式為[9-10]：

從圖中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于 5000 r/min時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)載狀態(tài)下的噪聲總值變化較快，波動較大，也可發(fā)現(xiàn)在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)噪聲總值與36階噪聲值的變化曲線相吻合。因被試發(fā)電機(jī)的定子槽數(shù)為36，由此可以推斷36階的噪聲值與發(fā)電機(jī)定子槽相關(guān)。發(fā)電機(jī)在3000r/min和6000r/min轉(zhuǎn)速附近各階電磁噪聲都存在峰值現(xiàn)象，這也是總體噪聲出現(xiàn)峰值的原因。在轉(zhuǎn)速6000r/min附近，發(fā)電機(jī)總體噪聲與各階次噪聲值最為接近，轉(zhuǎn)速大于7000r/min時(shí)，主要噪聲源為12階風(fēng)扇噪聲。

分析噪聲峰值產(chǎn)生的原因，發(fā)電機(jī)中主磁通大致上沿徑向進(jìn)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(shí)它也產(chǎn)生切向轉(zhuǎn)矩，引起切向振動，發(fā)電機(jī)定子槽產(chǎn)生的振動傳遞給機(jī)殼，是否是因?yàn)闄C(jī)殼固有頻率與電磁噪聲頻率發(fā)生了重合，導(dǎo)致共振引起峰值噪聲。為探明其原因，需對發(fā)電機(jī)機(jī)殼進(jìn)行模態(tài)分析。

對模式試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電機(jī)機(jī)殼的傳遞函數(shù)在1700Hz處出現(xiàn)了峰值，而電磁噪聲出現(xiàn)第一個(gè)峰值轉(zhuǎn)速為3000r/min，由式（3）可計(jì)算得到該處的電磁噪聲頻率為1800Hz，剛好與電機(jī)機(jī)殼傳遞函數(shù)峰值頻率1700Hz重合。由此得出，發(fā)電機(jī)在3000r/min和6000r/min附近的36階噪聲峰值是由定子槽產(chǎn)生的電磁波傳遞給電機(jī)機(jī)殼引起的共振而產(chǎn)生。于是本文提出在發(fā)電機(jī)定子與機(jī)殼間加入減振材料改變電機(jī)機(jī)殼固有頻率或者改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來降低電磁噪聲，避免噪聲峰值現(xiàn)象的發(fā)生。

對該交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)工況加速振動測試，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速在2000r/min到5000r/min范圍出現(xiàn)噪聲值在70dB以上的只有18階次和36階次的電磁噪聲，這與低轉(zhuǎn)速下電磁噪聲為主要噪聲的理論相吻合;各階次噪聲隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，也再次說明了發(fā)電機(jī)負(fù)載噪聲隨轉(zhuǎn)速增大而增加的觀點(diǎn)。

3 結(jié)語

本文通過噪聲試驗(yàn)得出了以下結(jié)論：

（1）運(yùn)用階次分析方法進(jìn)行了空載和負(fù)載噪聲試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)電機(jī)空載工況下，風(fēng)扇噪聲是最大的噪聲源。發(fā)電機(jī)在3000r/min和6000r/min處噪聲偏大是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)在36階徑向電磁力波的激勵(lì)下與電機(jī)機(jī)殼產(chǎn)生共振造成的。該研究為本款發(fā)電機(jī)電磁噪聲的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ);

（2）負(fù)載時(shí)車用發(fā)電機(jī)噪聲值大于空載時(shí)車用發(fā)電機(jī)噪聲值;

（3）低轉(zhuǎn)速下電磁噪聲是主要噪聲源，此時(shí)發(fā)電機(jī)電磁噪聲中的 36 階成分比較顯著。

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