汽車發電機噪聲測試分析

張 聰

（華晨汽車工程研究院 路試處，遼寧 沈陽 110141）

汽車發電機噪聲測試分析

張 聰

（華晨汽車工程研究院 路試處，遼寧 沈陽 110141）

噪聲問題已經成為汽車交流發電機生產企業發展的瓶頸，借助國內某知名企業的先進噪聲實驗室，進行發電機噪聲測試分析。對噪聲測試影響因素、測試要求、測試設備進行分析，測出發電機A聲級主要階次成分噪聲。對噪聲測試結果分析表明，發電機整體噪聲在低轉速區間問題較大，找出噪聲主要階次成分隨轉速變化的規律，確定引起噪聲的主要階次成分。為發動機降噪方案設計提供依據。

交流發電機；噪聲；測試；階次

CLC NO.:U467.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-60-04

前言

電機噪聲控制是環境保護所面臨的最重要課題，噪聲和振動又是電機的主要質量指標之一[1]。隨著人們生活水平的提高，對汽車乘坐舒適性的要求也不斷提高，發電機的振動噪聲問題也引起了大家的廣泛關注，成為汽車NVH研究的一個方向[2]。國內外對電機噪聲的研究主要偏向于理論和仿真研究，1928年，DenHartog研究了一種計算單環形定子的固有頻率的方法。1987年浙江大學陳永校等人指出電機應該控制電機氣隙磁波的大小，使其遠離定子的固有頻率以防止產生共振。

理論和仿真研究與真實情況存在一定的差距，仿真過程中涉及到對某些條件的假設，在一定程度上影響到仿真結果的準確性。目前基于實際電機噪聲試驗數據的研究并不多見，本文基于真實的試驗數據，對采集到的聲壓級-轉速曲線圖進行研究。

1、發電機噪聲測試

1.1 測試影響因素

發電機噪聲測試水平受許多因素影響。為了準確反映發電機的噪聲水平，必須對測試影響因素分析。測試時，根據客戶要求設定試驗條件，以達到客戶要求指標。下面對影響噪聲測試水平的幾個主要因素進行分析。

（1）溫度：噪聲實驗室的溫度對發電機的工作特性有很

大影響，進而影響發電機的噪聲。

（2）狀態：在同一變速率下，發電機冷態工況與熱態工況測得的噪聲聲壓級-轉速曲線差別很明顯，出現峰值的共振轉速也不同[3]。這可能是因為冷態與熱態時發電機的結構振動固有頻率不同所致，振動固有頻率的變化使激起發電機共振的轉頻改變，自然發電機由結構振動引起的噪聲聲壓級出現峰值的共振轉速也發生相應的變化。

（3）測試點：采集數據時，傳聲器的放置位置需要根據客戶要求而定。

1.2 測試要求

發電機通風噪聲和電磁噪聲測試試驗條件要滿足以下相應要求。相比于生產廠家預先制定的標準，其他噪聲（電刷噪聲、軸承噪聲）在相應的新標準下測試也達到了很好的效果[4]。

1.2.1 通風噪聲

（1）條件。a) 外界溫度：室溫；b) 測試轉速區間：1 500～最大轉速（100 rpm/s）；c) 測試點：發電機前、后、左、右方30 cm2范圍內；d) 空載；e) 測試階次：全階次、6th、12th、18th等。

（2）要求。無其他噪聲影響，必須符合HMC/KMC說明書中規定。

1.2.2 電磁噪聲

（1）條件。a) 外界溫度：室溫；b) 端電壓：13.5 V；c) 狀態：冷態；d) 測試轉速區間：1 500～最大轉速（100 rpm/s）；e) 測試點：發電機前、后、左、右方30 cm2范圍內；f) 負載：100%；g) 測試階次：全階次、30th、36th等。

（2）要求。無其他噪聲影響，必須符合HMC/KMC說明書中規定。

1.3 測試設備

該噪聲實驗室具有很高的聲吸收性能，在測試頻率范圍內所有頻帶和選定的測試表面有合適的自由聲場。

試驗臺上發電機的安裝支座用于固定待測的發電機中，傳聲器升降設備的安裝要求中心在發電機中心的縱軸線上，升降設備底面的四個傳聲器安裝在同一平面上，且均勻分布，符合測試要求中對發電機前、后、左、右方采集數據，測試時傳聲器距離發電機中心的位置需要根據客戶的要求而定。

本次試驗分兩次完成，通風噪聲數據在空載狀態下采集，電磁噪聲數據在全負載狀態下采集，且兩次試驗均在發電機熱態下進行。根據客戶要求僅對發電機側（風扇端）、前、后三個方位采集數據，傳聲器安裝在發電機的這三個方位。試驗結束后，數據通過數據采集系統自動輸入計算機。

2、A聲級主要階次成分噪聲分析

下面對發電機樣件XX（以下簡稱“發電機XX”）和發電機標準件KD（以下簡稱“發電機KD”）的整體噪聲、通風噪聲和電磁噪聲的聲壓級-轉速曲線圖進行對比分析，針對采集到的階次圖特點，選擇全階次噪聲、12階次成分噪聲和36階次成分噪聲的聲壓級-轉速曲線圖為主要分析對象。

2.1 發電機側、前、后方整體噪聲對比分析

圖1、2、3為發電機XX和發電機KD在全負載狀態下測得的側、前、后方整體聲壓級-轉速曲線圖。對發電機側、前、后三個位置采集數據，反映出發電機不同部位輻射噪聲的情況。

圖1中大約在2 000～4 000 rpm發電機XX噪聲表現明顯。圖2中大約在1 500～6 000 rpm發電機XX噪聲表現明顯。圖3中大約在1 800～4 000 rpm發電機XX噪聲表現明顯。

通過對比分析可知，發電機XX在低速區間1 500～4 000 rpm噪聲水平明顯高于發電機KD，最多高大約10 dB(A)，且在此區間內，多處有峰值，這可能是結構共振引起的，具體還要根據該轉速下的轉頻和電機結構固有頻率分析出共振頻率。圖2中大約在10 000 rpm處負載工況有明顯峰值，這是發電機發出異響，可能是電磁激振力引起的電機結構共振，同樣是降噪過程中需要解決的問題。

2.2 發電機側、前、后方12階次噪聲對比分析

圖4、5、6為發電機XX和發電機KD在空載狀態下測得的側、前、后方12階次聲壓級-轉速曲線圖。

圖4、5中大約在3 000 rpm以后發電機XX噪聲表現明顯，且隨著轉速的增加，噪聲也隨之增大；側方測量位置為風扇端，圖4中發電機XX噪聲水平隨著轉速的增大明顯高于標準件KD，最多大約高20 dB(A)，該組數據能更加確切的反映發電機XX的通風噪聲水平。

圖6中大約在3 800～6 000 rpm發電機XX噪聲比發電機KD表現明顯，最多高大約10 dB(A)左右，在11 000 rpm以后出現多處峰值，通風噪聲比較嚴重。通過對圖4、5、6進行對比分析，得出發電機XX通風噪聲問題較為嚴重，降噪方案設計過程中需要對風扇結構和風路重新優化設計。

2.3 發電機側、前、后方36階次噪聲對比分析

電磁噪聲是由于發電機氣隙中磁通相互作用，產生隨時間和空間變化的徑向力波，使定子鐵芯和機座振動，引起周圍空氣脈動而發出的氣隙噪聲。電磁噪聲會隨著外加電壓及

負載的升高而增大。圖7、8、9為發電機XX和發電機KD在全負載狀態下測得的側、前、后方36階次聲壓級-轉速曲線圖。

圖8中在6 000 rpm以下發電機XX噪聲水平比較明顯。圖8、9中發電機XX噪聲水平在整個轉速區間內均表現明顯，圖8中大約在10 000 rpm左右，發電機XX噪聲水平要高于發電機KD25 dB(A)以上。

通過分析發電機XX內部結構及各零部件相互作用關系可知，36階次激振力是由發電機XX內部電磁場產生的電磁激振力。如果將發電機XX內部各零部件看作一個系統，那么36階次電磁激振力則能夠引起該系統產生結構共振，進而輻射出噪聲。因此，要有效控制電磁激振力引起的噪聲，就要從改進發電機XX內部結構入手，綜合考慮各項影響因素，以減小電磁激振力對發電機XX噪聲的貢獻。通過和試驗采集的其他階次成分噪聲對比分析可知，36階次成分明顯高于其他階次成分10 dB(A)以上，并基本決定了該轉速聲級的大小。因此從噪聲控制角度，確定發電機XX電磁噪聲主要簡諧成分為36階次，這是其噪聲特性中一致性好的方面。

3、結論

針對企業某型發電機XX存在的實際噪聲問題進行研究，對噪聲測試影響因素、測試要求、測試設備進行分析，采集數據。對數據分析結果表明：發電機XX在低轉速區間1 500～4 000 rpm噪聲水平突出；通風噪聲主要是由12階次成分貢獻，隨著轉速的增加通風噪聲增大較明顯，表明發電機XX通風噪聲嚴重；36階次電磁激振力對發電機XX整體噪聲水平貢獻較大，尤其在低轉速區間，主要是引起發電機內部結構共振，輻射出較大的電磁噪聲。

[1] 陳永校, 諸自強, 應善成. 電機噪聲分析和控制[M]. 杭州: 浙江大學出版社, 1987: 1-2.

[2] 劉敏, 董大偉, 閆兵. 車用交流發電機噪聲特性及噪聲源測試分析[J]. 2010, 24(6): 14-17.

[3] 惠穎男. 車用交流發電機噪聲測試及降噪方法研究[D]. 成都:西南交通大學, 2011.

[4] ALTERNATOR ASSY(WITHOUT VACUUM PUMP)[S]. ES 37300-09, 2009: 6-8.

優化后的支架安裝在發動機上，經800h交變及全速全負荷等發動機臺架試驗后，支架依然完好，未再發生過斷裂，也未在零件表面找到任何細小裂紋，由此得出結論，本文對支架的分析、改進措施是成功的，技術路線是正確的。

5、結束語

（1）在零件的設計階段，除了采取提高零件強度的一般措施（如選用更好的材料、適當增大危險結構的尺寸等）外，還可以通過另外一些設計措施來提高零件的疲勞強度，如盡可能降低零件上的應力集中，盡量減少零件結構形狀和尺寸的突變，或者使其變化盡可能平滑和均勻[6]。

（2）Pro/mechanica軟件具有簡單、實用、快捷等優點，設計人員只要懂材料屬性和應力應變知識，就可以進行復雜模型的分析工作。設計人員可以輕松的運用Pro/mechanica對模型進行有限元分析，找到零件的結構薄弱區域及應力集中部位，進行改善。從設計階段就避免了零件結構不妥之處，避免因簡單經驗設計而造成的成本浪費以及開發周期延長。

參考文獻

[1] 王章忠，機械工程材料[M]，北京：機械工業出版社，2001.5。

[2] 王國軍，MSC.Fatigue疲勞分析實例指導教程[M]，北京：機械工業出版社，2009。

[3] 曹啟章，劉朝暉，基于Pro/mechanica的扶梯梳齒支撐板的強度設計 [J]，機電工程技術2013,42（8）：54-56。

[4] 劉鴻文，材料力學[M]，北京：高等教育出版社，2004.1。

[5] 胡城立、朱敏，材料成型基礎[M]，武漢：武漢理工大學出版社，2001.7。

[6] 濮良貴，紀名剛，機械設計[M]，北京：高等教育出版社，2006.5。

Noise Testing and Analysis of Vehicle Alternator

Zhang Cong

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute Product, Verification Section, Liaoning Shenyang 110141）

Noise problem has become the bottleneck in the development of automotive alternator manufactures. With the aid of advanced noise laboratory, alternator noise test results were researched. Noise test and its influential factors, test requirements and test equipment were analysed, then, noise of the main order components in alternator together with its A sound level were tested. Analysis of the noise test results expatiate that the generator’s overall noise in the low speed range has a heavy problem. The law of the noise main order components with the rotating speed change was found out, then the main order components which cause the noise were identified. Finally, the basis for the design of the engine noise reduction program is provided.

alternator; noise; testing; order

U467.3

A

1671-7988(2014)07-60-04

張聰，就職于華晨汽車工程研究院。