乘用車超靜音發(fā)電機研究方法探究

宋喜崗，王洪超，姜意馳，孫明瑞，陳文靜

（一汽轎車股份有限公司，吉林 長春 130012）

前言

現(xiàn)代社會隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展與普及,人們對汽車的舒適性要求也越來越高。汽車交流發(fā)電機作為汽車上必不可少的一部分，其噪聲水平與駕乘舒適性有著緊密的聯(lián)系，因此對其噪聲標準要求也越來越嚴格[1]。發(fā)電機、發(fā)動機、輪胎等是車內噪聲的主要噪聲源，但低速工況下的主要噪聲源為發(fā)動機。伴隨發(fā)動機技術精度的提高，其噪聲已經得到很好的控制，發(fā)電機噪聲便凸顯出來，降低整機噪音及零部件的噪音水平越來越受到整機及零部件企業(yè)的重視[2]。研發(fā)一款超靜音發(fā)電機成為行業(yè)共同的目標，本文探究一套研究超靜音發(fā)電機的技術路線，可對發(fā)電機的設計有一定的指導作用。

1 乘用車發(fā)電機主要噪聲源及特征

汽車交流發(fā)電機噪聲問題非常復雜，涉及了電磁能量轉換和機械振動方面的知識，但是從產生機理來看，主要分為電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力學噪聲[3][4][5]。

1.1 電磁噪聲

電磁噪聲在發(fā)電機設計時由電氣參數、機械參數和裝配工藝決定。它是由定子、轉子間的電磁力產生力波使結構產生振動輻射出來。在中低速下的電磁噪聲是汽車發(fā)電機噪聲的主要成份，它通過結構振動向外傳播。作用在定子鐵芯上的氣隙磁波可分解為徑向和切向磁力兩個分量，其中徑向分量使定子鐵芯產生的振動變形發(fā)出的噪聲是電磁噪聲的主要來源，而切向分量則使齒根部彎曲變形。當電機工作狀態(tài)下的電磁力波與發(fā)電機結構的固有頻率接近時就引起共振，發(fā)出較大噪聲。

其次在定子或者轉子齒槽的影響下磁導會發(fā)生周期性變化從而導致氣隙磁密度周期性變化也會產生電磁噪聲。

磁路的不對稱以及定子、轉子的偏心會引起磁通分配不對稱，從而會增大單邊的磁拉力引發(fā)振動產生噪聲。

1.2 機械噪聲

發(fā)電機的機械噪聲主要是碳刷與集電環(huán)摩擦、轉子兩端軸承、轉子等部件產生。

在碳刷與集電環(huán)之間的接觸摩擦噪聲取決于碳刷彈簧的壓力，集電環(huán)與碳刷表面的粗糙度，同心度等。

當軸承中的鋼圈與軸承外圈相對運動時，由于撞擊激勵產生振動就會產生軸承噪聲。其產生的原因可分為兩類：一類是由于軸承本身的幾何形態(tài)缺陷所引起的振動和噪聲。軸承的幾何形態(tài)缺陷主要指軸承在加工后存在波紋度，溝道表面及滾珠表面受損。二類是軸承在收到載荷時會產生周期性的彈性變形，從而產生振動和噪聲[6]。

轉子的不平衡噪聲是由轉子和軸不同心或動不平衡造成，可產生偏心磁場，其基頻為轉子轉動頻率。轉子配件的熱位移引起的不平衡；轉子制造時的殘留不平衡；外力（皮帶輪）引起的轉子軸的彎曲等等[7]。

機械噪聲是在電機噪聲中避免不了的。電磁噪聲與機械噪聲也是緊密相關的。因為機械部分的結構振動會影響到電磁場；同時，電磁力也會改變結構振動的幅值。

1.3 空氣動力噪聲

風扇噪聲和轉子噪聲是空氣動力噪聲的主要貢獻者。交流發(fā)電機的轉子兩端安裝有風扇，用于給發(fā)電機內部降溫。在發(fā)電機的工作過程中，風扇隨轉子的旋轉導入與導出氣流給其降溫，此時葉片曲面和風扇圓盤以及邊緣的氣流擴散可形成紊流，引起寬頻帶噪聲。轉子旋轉噪聲的大小主要由轉子表面紊流和風扇葉產生的氣流擴散決定。其次，風扇制造中的飛邊及毛刺也會對噪聲又較大影響。在合理的風道與風量設計后，風扇的造型也將給交流發(fā)電機的通風效果和降低噪聲帶來影響，采用不等分間距的奇數扇葉；盡量減小風扇半徑；調解風扇動平衡等手段可降低風扇噪聲。

2 超靜音發(fā)電機的研究開發(fā)方法

通過噪聲源特征分析及實驗數據的分析，電磁噪聲在汽車低速時為主要噪聲源。超靜音發(fā)電機的研究主要研究對象為減弱電磁噪音，消除低轉速下的噪音峰值。

2.1 超靜音發(fā)電機研究的主要內容

通過對發(fā)電機不同負載工況噪聲振動進行理論及測試分析，發(fā)電機在低轉速滿負載狀態(tài)下存在明顯的噪聲峰值，該噪聲是定、轉子間徑向電磁力作用于定子鐵芯導致結構共振輻射出來的,電磁噪聲表現(xiàn)為轉軸基頻的36階次。

根據噪聲產生的機制，本研究的主要研究內容為分析定轉子間氣隙大小，轉子動平衡水平，隔振橡膠墊使用，定子轉子的同軸度、圓度偏差等形位公差和物理結構對發(fā)電機噪聲振動的影響。

1）適當增大氣隙，增大定轉子間的氣隙能夠減弱兩者之間的電磁力，使定子獲得的振動能量有所減少。但是氣隙增大后會使發(fā)電機的輸出降低，效率降低，溫升損耗加大，氣隙的增大要經精確的計算。

2）減少定轉子間的靜態(tài)偏心，定轉子及端蓋的加工裝配要加強圓度、同軸度等形位公差的保證。

3）減少定轉子間的動態(tài)偏心，為了達到此目的，需要研究計算轉子的圓度，同軸度及轉子軸的剛度。轉子運轉過程中，轉子軸有一定的彎曲，導致一邊氣隙大，另一邊氣隙小，磁阻沿圓周產生周期性變化，使基波磁勢增加了一個諧波分量。諧波次數隨著轉子轉動，引起旋轉中單邊磁拉力產生噪聲。為了減少氣隙動態(tài)偏心，可以采用兩爪極間焊接或者裝配非導磁材料可提高轉子的剛性。再者，轉子軸的尺寸及材料需要合理選擇，并能控制其熱處理硬度。

4）定子鐵芯為振動能量的主要發(fā)生源，在定子鐵芯與發(fā)電機端蓋間采用適當的彈性材料，將定子的振動通過彈性材料進行一定的阻尼消弱，能夠達到降低噪音的效果。

5）優(yōu)化定子槽的尺寸，通過優(yōu)化定子槽的內部與外部開口的尺寸或者增加零部件將槽口密封，達到消弱槽開口波目的，從而降低噪音。在不對定子嵌線造成影響的前提下，盡可能的選擇小的槽開口尺寸，可降低振動幅值。

6）定子疊片的厚度、壓緊程度也是電磁噪音的重要影響因素。在滿足定子高度的要求下，優(yōu)化疊片厚度與數量，調整疊片的壓緊力可使噪音狀況得到改善。

根據以上研究的方向，依據仿真分析及試驗對比結果提出具體的改進措施，對定子、轉子的關鍵設計及工藝參數進行改進從而改變其模態(tài)入手并對改進后的發(fā)電機進行測試分析，驗證改進措施的可行性。同時建立發(fā)電機整機的有限元模型，在自由狀態(tài)及約束狀態(tài)下對其進行模態(tài)計算，得出發(fā)電機端蓋及轉子爪極的剛度變化對發(fā)電機結構模態(tài)的影響，綜合考慮各方面因素，得出增大前后端蓋剛度來改善發(fā)電機結構模態(tài)的最佳措施，并進行相關試驗驗證。

2.2 研究技術路線

考慮到發(fā)電機電磁噪音的關聯(lián)因素眾多且復雜，本研究方法以理論研究為基礎，運用UG/ANSYS建立發(fā)電機三維有限元模型，采用有限元法對發(fā)電機進行瞬態(tài)磁場仿真，得出空載及負載時定、轉子氣隙間的磁場密度的變化，并計算出徑向電磁力。對發(fā)電機某一個定子齒上徑向電磁力進行頻譜分析，確定其主要頻率成分。接著采用試驗模態(tài)與計算模態(tài)相結合的方法，對發(fā)電機定子、轉子的設計參數進行控制變量下的更改，然后對改進后的發(fā)電機固有頻率及模態(tài)振型進行對比，篩選出最優(yōu)方案進行樣件制作與驗證，技術路線見圖1。

圖1 技術研究路線

2.3 試驗驗證方案

樣件制作完成后首先進行試驗臺架的粗測試，主要對其性能、主觀噪聲水平進行評判；粗測試通過后運用噪音實驗室進行客觀的噪音精確測量，得出噪音的確切數值；噪音精確測試完成后，進行結果評審，評審合格后裝車進行整機測試；所有能夠進行的改進方案完成后，對比所有方案的主觀與客觀測試結果，得出最優(yōu)改進方案。

3 結論

本文通過對車用交流發(fā)電機的噪聲源及特征的分析，得到關于超靜音發(fā)電機的研究方法，優(yōu)化減小發(fā)電機電磁噪音的技術路線。若按照此套方案進行，能夠對汽車發(fā)電機的噪音有一定的改善，從而提高車輛的駕乘舒適性。