基于汽車低轉速區間發電機電磁噪音優化

鄭 妍，易遠程，劉鳴洲

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201804）

汽車噪音性能是整車性能中最重要的部分之一,直接影響駕駛人和乘客對整車品質的主觀感受，所以汽車的噪音問題是國際汽車業各大整車制造企業和零部件企業最關注的問題之一。然而，為了滿足日益增長的汽車電子電器等負載的需要，汽車發電機的功率和效率也在不斷提升。根據汽車發電機的工作原理，功率和效率的提高意味著發電機的電磁噪音變得越發明顯。汽車交流發電機的電磁噪音進行分析與優化，不僅影響到汽車的舒適性，也會涉及燃油經濟性、可靠性，對其分析與優化是當前一項重要課題。本文對汽車開發階段噪音測試數據，運用階次分析方法，進而針對汽車發電機電磁噪音產生機理提出電磁噪音優化方案，使發電機的電磁噪音在低轉速區間聲壓降到20 dB以下。

1 汽車發電機噪音特點

為了給駕乘者提供上乘的駕駛感受，某國際汽車制造企業采用實車測試方式評價汽車發電機噪音對駕乘人員乘坐舒適性的影響。這種實車測試主要是將汽車停在消聲室或空曠的地方，在駕駛艙內不同位置布置聲音采集器。發動機運轉40 min后，汽車置于空擋，在每一種負載下，測試人員按照要求依次測試不同轉速評測發電機噪音情況。數據表明發電機在低轉速區間 （發動機轉速為750～1800 r／min，發電機轉速為1750～4300 r／min）噪音最明顯，其發出的嘯叫聲極易引起客戶的抱怨。這種嘯叫聲絕對需要優化到可接受的范圍。

圖1 發電機36階聲壓級-轉速曲線

2 發電機電磁噪音分析

通過對采集到的聲壓級-轉速曲線分析，低轉速區間采集到的噪音也就是整車上三相36槽結構的交流發電機發出電磁噪音。原因在于電磁力波的頻率會隨轉速變化而變化，轉子每旋轉一圈會產生一個36階次的電磁噪音，當轉子達到某一特定轉速，與發電機的固有頻率發生重疊時，就會產生共振，該噪音會進一步放大，而當發電機轉速進一步提高，越過共振點后，電磁噪音又馬上減小 （圖1）。而發電機的固有頻率剛好落在整車怠速區間，這就使得這個電磁噪音異常明顯，使駕乘者主觀感受很差。

發電機電磁噪音是由于電磁力在定、轉子間隙中，產生旋轉力波或脈動力波，使定子產生振動而輻射噪聲 （圖2）。它與電機氣隙內的諧波磁場及由此產生的電磁力波幅值、頻率和級數以及定子本身的振動特性，如固有頻率、阻尼、機械阻抗均有密切的關系，還與發電機的定子聲學特性有很大關系。

圖2 輻射噪聲示意圖

3 優化方案及測試結果

發電機噪音主要由設計的電氣參數、機械結構及裝配工藝決定。影響發電機電磁噪音的因素很多，優化低轉速區間的電磁噪音，主要是需要降低36階次的噪音，通過不斷地仿真，實車測試，有以下幾種措施值得推薦：①在設計上對發電機轉子進行優化；②通過加筋等方式提高部件的剛度；③通過增加阻尼降低發電機的結構振動輻射的噪音；④在生產工藝上進行控制，嚴格控制公差。

3.1 發電機轉子爪極倒角優化

轉子爪極倒角幾乎不會降低發電機的輸出性能，卻能大幅削弱主要電磁力諧波的幅值，從而降低電磁振動。計算得出不同的倒角方案，再通過仿真的方法選出效果最好的方案制樣 （圖3）。

圖3 各倒角下的電磁力矩仿真值

優化后New chamfer 02的爪極測試結果，在發動機低轉速下可以降低2～3 dB （圖4）。

3.2 通過加筋等方式提高部件的剛度。

其一，通過調整爪極熱處理工序，優化爪極剛度。增加爪極剛度，減少爪極震顫幅度以減低發電機噪聲 （圖5）。

優化后產品從結果可以看出此措施可以削弱電磁噪音在低轉速的波峰 （圖6）。

圖4 爪極倒角優化結果

圖5 加強爪極剛度

圖6 加強爪極剛度數據

其二，優化定子硅鋼片的厚度和材料。發電機定子鐵心是由硅鋼片疊裝而成，會在電磁力的作用下在各組薄片之間產生振動，當振動的頻率范圍在人的聽覺范圍內，就會產生電磁噪音。將目前發電機的硅鋼片的厚度降低0.15 mm，同時增加定子鐵心熱處理工序，加強硅鋼片的剛度。從試驗數據分析，電磁噪音有積極的改善。

3.3 在生產工藝上進行控制

研究表明定轉子電磁場作用產生的電磁力的大小與磁通密度正相關，而磁通密度是由定轉子的空隙大小決定：

式中：Fmag——電磁力；d——定轉子間空隙。

如果定轉子間的空隙不均勻，就會導致電磁力大小變化因而激發電機本體的振動加劇，將噪音變大。為了減小定轉子空隙不均勻，決定定子的配合公差從 （+0.05+0.13）降到 （+0.05+0.09），調整定轉子的同心度以使空隙均勻，從而降低電磁力脈動噪音 （圖7）。

圖7 定轉子配合公差優化

通過控制配合公差，可以對發電機的電磁噪音有積極的作用，測試結果如下 （圖8）。

圖8 控制配合公差效果

3.4 定子優化

增加定子的槽數。根據推導可知，當極對數不變，而改變發電機相數，即從36槽3相電機更改為72槽6相電機后，原有的36階電磁力的頻率被放大2倍 （6×12=72階）。而電機因為整體結構與質量沒有本質的改變，因此其固有的模態頻率也沒有較大改變。這樣，作為激勵源的電磁力的模態避開了電機中低頻的固有頻率，使在怠速階段發電機電磁噪音改善明顯 （圖9）。

考慮成本因素方面，各個措施的優缺點見表1。

通過對比采用提高工藝裝配降低定轉子的配合公差，控制定轉子的同心度，同時優化爪極倒角的組合優化方法（組合優化需要根據發電機電磁噪音優化幅度而定）。這樣的組合方式不僅可以有效降低發動機低轉速區間電磁噪音，還不影響發電機輸出效率，相比其他方式，優化成本低。優化后的發電機噪音數據如圖10所示。

圖9 3相36槽與6相72槽36階噪音對比

表1 優化措施對比

圖10 優化后的發電機噪音數據

4 結束語

相比汽車發電機零部件供應商的臺架測試，主機廠更多是以整車發電機噪音表現為判斷依據?？紤]到發電機電磁噪音是一個系統性的問題，往往發電機在臺架上表現不錯，但裝到整車上發現發電機在發動機低轉速區間電磁噪音明顯，這是由于整車的振動導致發電機的電磁噪音被放大。同時，在發動機怠速區發動機本身的噪音比較平穩，所以發電機的嘯叫聲即電磁噪音極易被客戶察覺并感不適。本文通過理論分析，提出相關優化措施并實車驗證，再根據分析結果，控制發電機電磁噪音在20 dB以下，對汽車制造企業控制發電機電磁噪音具有借鑒意義。