某乘用車發電機性能開發與NVH控制

王維張軍周維超趙勤

某乘用車發電機性能開發與NVH控制

王維1，2張軍1，2周維超1，2趙勤1，2

（1.長安汽車股份有限公司汽車工程研究總院；2.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室）

論述了整車發電機產生噪聲的機理，并針對某乘用車開發過程中存在的整車發電機嘯叫案例進行研究。通過對整車發電機與單體測試，找出發電機嘯叫的原因實為定子的問題。通過對發電機定子理論分析與計算，總結出該發電機定子的3個關鍵控制點。對控制點優化后進行整車驗證表明嘯叫問題已解決，同時建立了發電機電磁噪聲開發目標體系。

1 前言

發電機噪聲問題一直是汽車產品性能開發和NVH控制過程中的難點，該噪聲主要通過固體和空氣傳播兩種途徑傳到車內[1、2]。為了解決發電機噪聲問題，國內外專家學者進行了大量研究，浙江大學陳永校等人指出發電機應該控制其氣隙磁波的大小，使其遠離定子的固有頻率以防止共振[3]；諸自強用解析法計算了某型發電機的瞬態磁場分布，得出結果與有限元計算結果非常接近，然后又在前期研究基礎上計算了改型發電機輻射的電磁噪聲[4]；Javadi等人用數值計算的方法研究了作用在定子上的電磁力和定子響應[5]；Belahhcen采用有限元法對發電機鐵芯和氣隙中的磁場進行求解，得出了定子內表面的徑向力分布[6]；Taegen等人提出增加發電機定子的相數可以減少氣隙磁波的徑向力，并通過試驗加以驗證[7]；Jean等人通過模擬試驗的方法發現通過選擇適當的轉子或定子開槽寬度可以消除開槽力波，進而控制電機整體電磁噪聲的水平[8]。以上主要從理論計算來研究電磁噪聲，在工程實踐方面的研究較少，本文主要從目前整車廠遇到的工程項目問題來研究發電機噪聲。

2 發電機噪聲產生機理

交流發電機噪聲比較復雜，涉及多個學科的知識，但是從其機理上講，可以分為電磁噪聲、氣動噪聲和機械噪聲。

2.1 電磁噪聲

發電機正常工作時，在其磁場氣隙中產生電磁力波，該電磁力波有徑向和切向兩個分量作用在定子鐵芯上。其中，徑向分量使定子鐵芯產生的振動是電磁噪聲的主要來源；而切向分量能夠使定子齒根產生振動形變，這也是電磁噪聲的一個重要來源。另外，由于爪極的結構特點，在某些特定轉速下爪極的振動形變所輻射的電磁噪聲會變得相當突出。因此，發電機內部構件的振動引起發電機外殼振動，進而輻射到發電機四周，就形成了電磁噪聲[9]。

發電機磁場氣隙中單位面積的徑向電磁力[10]：

式中，B(θ,t)為氣隙磁密，是機械位移角度θ和時間t的函數；μ為真空磁導率。

氣隙中的合成磁場主要由基波磁場、定子和轉子繞組諧波磁場、定子和轉子氣隙磁導1階齒波磁場組成。

基波磁場產生的徑向力波Pr為：

式中，P0為不變項，是均勻分布在定子上的壓縮應力，并不會產生振動和噪聲；P1為可變項，是一個旋轉的徑向力波，其產生的振動和噪聲的頻率為2f1（f1為電源頻率）。

定子和轉子繞組諧波磁場產生的力波Pu可表示為：

式中，Bγ為定子諧波磁通之間的作用；Bu為轉子諧波磁通之間的作用，其對A計權總聲壓級貢獻不大；BvBμ為某一個定子vα次諧波與一個轉子μb次諧波間的作用。

因此，式（3）可以化簡為：

令r=μ±v，則r就是磁場徑向力波的極對數。定子在徑向力波的作用下產生徑向振動變化，進而產生電磁噪聲，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數r有關，定子鐵芯變形的幅值大致與r4成反比。在中小型發電機中，一般只考慮r≤4的情況，其中r=2時的徑向力波最容易產生電磁噪聲。

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

如果發電機轉子或定子自身的固有頻率與電磁力波的某個階次頻率很接近，那么即使很小的電磁力也會引起轉子或定子產生共振，進而產生很大的電磁噪聲。

發電機氣隙偏心時，由于氣隙磁導的周期性改變，又會在氣隙磁場中附加一個諧波磁場，這也會引發電磁噪聲。另外,磁路飽和等因素也會在電機氣隙中產生附加磁場，產生附加電磁力，進而引發電磁噪聲。

2.2 氣動噪聲

氣動噪聲是發電機的風扇引起的。由于發電機風扇產生氣流的局部壓力隨時間變化十分迅速，進而使氣流本身產生劇烈脈動，同時脈動氣流與發電機風路內壁摩擦，進而形成氣動噪聲。

當風扇高速旋轉時，風扇周圍的空氣質點由于受到扇葉周期力的作用而產生壓力脈動，進而輻射出噪聲。旋轉噪聲的頻率f2與扇葉作用在質點上的周期力的頻率相同，即

式中，Zb為扇葉數；nr為風扇轉速；k=1，2，3……

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

式中，Sh為斯托哈系數，在0.14～0.20之間；v為氣流與障礙物的相對速度；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速度，而扇葉周圍線速度是連續變化的，所以風扇扇葉產生的渦流噪聲是寬頻帶的連續譜。

2.3 機械噪聲

機械噪聲的來源有很多，如發電機轉子不平衡可引起較大的振動，軸承自身以及受其激勵的發電機端蓋的振動，電刷與換向器等接觸而產生的摩擦振動，這些都會向外輻射噪聲，另外還有其它類似的機械噪聲源。其中轉子不平衡又有3種情況，即靜、動以及混合不平衡。引起轉子不平衡的原因有很多[2]，例如轉子材料的不均勻、通風冷卻的不均勻，同軸度的生產制造偏差以及轉軸的制造精度等也都會導致轉子轉動不平衡而產生機械噪聲。軸承對精密度要求極高，滾珠或滾動元件的損壞以及零件的變形等都會產生噪聲，甚至破壞電機的工作。早期故障可根據軸承噪聲寬頻特性進行診斷識別。電刷裝置的振動噪聲主要分為電刷的振動和電刷的摩擦噪聲兩類。

3 工程案例分析控制及目標控制

3.1 問題描述

對某車型在空擋怠速狀態下進行踩/抬油門測試（怠速tip in/out測試）并進行主觀評價時，發現發動機在800～2000r/min存在嚴重高頻口哨聲，嚴重影響車輛聲品質。其發電機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。

對該車輛進行測試，發現該車在800～2 000 r/min出現口哨聲是因為其存在明顯的發動機93.6階嘯叫現象，該車型發電機傳動比為2.6，發動機與發電機傳動比值為36。根據測試結果，在800～2 000 r/min轉速內，發電機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

為了查找故障發電機36階電磁噪聲超標的原因，將整車測試無嘯叫的正常發電機轉子和定子換裝到故障發電機上。故障發電機更換轉子與定子前、后的整車噪聲測試結果如圖2～圖4所示。

根據圖3和圖4可知：

a.故障發電機更換成正常發電機轉子后，整車怠速tip in/out測試時，發動機2 000 r/min以下車內發電機36階電磁噪聲水平與故障樣件相當，無明顯改變，主觀評價有嘯叫，聲品質差。

b.故障發電機更換成正常發電機的定子后，整車怠速tip in/out測試時，發動機2 000 r/min以下發電機電磁噪聲有明顯降低，最大幅值降低20 dB，主觀評價嘯叫明顯改善，聲品質好。

通過對故障發電機更換定子和轉子對比試驗，可以發現定子的不同是造成發電機電磁噪聲大小的根本原因。

3.3 電磁噪聲關鍵點的控制

發電機定子的不同參數能夠嚴重影響發電機的電磁噪聲。為了查找故障發電機和正常電機定子的差異，對發電機的定子進行理論分析與計算，總結出發電機生產過程中和噪聲有關的3個關鍵控制點，如表1所列。

表1 關鍵控制點

從對故障發電機定子的參數測試看，定子與端蓋的同軸度超標，定子浸漆量偏小。定子與端蓋的同軸度偏大，致使定子受磁場力波動加大；定子浸漆量偏小，會造成定子線圈緊固不牢，振動會加劇。以上兩個原因導致故障發電機在滿載加速工況下，發電機36階電磁噪聲超標，而單體電磁噪聲超標的發電機在整車會存在口哨聲。

根據分析，制作新的發電機樣件。該樣件發電機定子在生產過程中增加了定子線圈的浸漆量并優化定子與端蓋的同軸度，將該樣機進行整車驗證，優化后發電機噪聲頻譜圖如圖5所示，優化前、后發電機36階電磁噪聲階次對比如圖6所示。

故障發電機定子增加浸漆量與優化同軸度后，整車怠速tip in/out測試時，發動機2 000 r/min以下車內發電機36階電磁噪聲明顯低于故障發電機，主觀評價優化后的發電機無嘯叫，聲品質好。

3.4 發電機電磁噪聲目標控制

基于整車狀態下的車內噪聲測試結果，結合發電機的結構和NVH噪聲機理，確定在整車狀態下發電機的階次噪聲控制目標值，根據整車的階次噪聲目標控制值，將整車狀態下發電機NVH問題分解到單體發電機NVH技術指標上，從而控制單體發電機NVH目標值。在項目開發早期，開展發電機樣件的噪聲驗證工作，將目前在后期整車上開展的反復論證工作前移至對零部件驗收工作中，以降低后期整車狀態下發電機噪聲論證的工作量。根據優化前、后的整車測試及主觀評價結果制定出整車發電機電磁噪聲目標控制線。圖7為在整車狀態下不同發電機36階電磁噪聲對比。

對整車測試后，再進行發電機臺架單體噪聲測試，制定出單體發電機電磁噪聲目標控制線。圖8為不同單體滿載加速狀態下36階電磁噪聲對比圖。

4 結束語

論述了發電機噪聲產生的機理，分析了某車型發電機產生嘯叫現象的原因及工程控制的思路，探討了發電機在整車與單體狀態下噪聲的相關性，得出以下結論:a.發電機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是影響發電機電磁噪聲的關鍵因素；

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

1 尚修敏.車用交流發電機電磁噪聲仿真分析:[學位論文].成都:西南交通大學，2013.

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

3 陳永校，諸自強，應善成.電動機噪聲的分析與控制.杭州：浙江大學出版社，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.用于同步發電機噪聲分析的徑向力計算.國外大電機，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.優化槽開口寬度以降低感應電動機的電磁噪聲.國外大電機，2010（3）:30～35.

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

10 劉敏.汽車交流發電機噪聲振動特性的試驗研究:[學位論文].成都:西南交通大學，2010.

（責任編輯晨 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 發電機 電磁噪聲

U462.3

A

1000-3703（2015）05-0021-04