車用發電機降噪優化設計

田素琴，謝佳茵，董芳余，林 琳

車用發電機降噪優化設計

田素琴，謝佳茵*，董芳余，林 琳

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧錦州 121001）

文章使用靜音室對某型車用交流發電機進行噪聲試驗，并通過LMS軟件進行后期分析，找到影響噪聲的關鍵階次點為36階次。針對該階次點制定試驗方案并對試驗數據進行分析，確定發電機定子振動是產生噪聲的主要原因，通過分析找到影響該階次噪聲的成因部件。參考以往的工程經驗，對發電機進行優化設計，并將優化后發電機進行試驗驗證，最終得以改善。

發電機；噪聲測試；階次分析；優化設計

汽車行業經過百年發展，噪聲問題一直是人們關注的焦點。有研究發現，汽車發電機在起步、怠速和停止時，偶爾會發出高頻、刺耳的噪聲，嚴重影響了車內的舒適性[1]。同時，隨著車用發電機工作轉速的提高，發電機噪聲控制變得更加嚴格，特別是在發電機本身以及高端市場中，不僅要求總聲級達標，單一諧次分量同樣需要控制。為此，分析車用發電機的噪聲成因、完成產品的降噪優化，是現有發電機企業必需解決的問題。本文以某企業車用發電機產品為例，尤其針對其低速時噪聲超標問題，提出降噪優化設計，進一步提高產品品質及汽車駕乘舒適性，起到了重要的理論意義和工程實用意義。

1 車用發電機噪聲測試試驗

1.1 試驗目的

通過臺架試驗，采集車用發電機噪聲數據，并對其進行階次分析。同時，在噪聲特性分析基礎上，對相關部件加以整改，以實現發電機降噪。

1.2 試驗對象

選取某企業的電磁式有刷內置雙風扇車用交流發電機為測試對象。據主機廠反饋，該配套發電機在起動瞬間產生人耳可辨的噓嘯聲。

1.3 試驗方法

本次試驗參照標準《旋轉電機噪聲測定方法及限值第1部分：旋轉電機噪聲測定方法》（GB/T10069.1－2006）[2]，應用半球面法測量發電機噪聲，并同步采集轉速信號。試驗采用的發電機工況為冷態升速測試，速度變化率為150 (r/min)/min，傳動皮帶張緊力為800 N。

1.4 試驗儀器及設備

試驗在半消音室中進行，采用比利時LMS公司的LMS Test.Lab分析儀完成數據采集、信號處理及分析[3]。試驗所用測試平臺如圖1所示。

圖1 交流發電機現場測試圖

2 車用發電機噪聲特性分析

通過對選取發電機進行噪聲測試（見圖2），發現其在低速區時噪聲超過負載標準，尤其在 1800 r/min、2000 r/min分別出現了86 dB、89 dB噪聲峰值，這說明客戶反映的噓嘯聲確實存在。需對該款發電機進行改進，并對試驗結果進行分析。

圖2 發電機負載噪聲試驗結果

1.噪聲頻譜分析

對測試結果進行頻譜圖分析，如圖3所示，可以看出該型發電機36階次較其他階次噪聲都高。

圖3 發電機噪聲頻譜圖

2.36階次噪聲源分析

對該款發電機進行空載測試，即發電機旋轉但不發電，此時只有機械噪聲和通風噪聲沒有電磁噪聲。分離出36階次，并將36階次負載噪聲及空載噪聲進行對比分析，結果如圖4所示，得出如下結論：

1）在轉速7000 r/min之前36階次的負載噪聲比36階次空載噪聲高出許多，即在7000 r/min之前，36階次的負載噪聲就是電磁噪聲。可以看出，在中低轉速時，電磁噪聲在發電機負載總噪聲中占主導作用。

2）在問題轉速點附近，36階次噪聲與發電機負載總噪聲相似度極高，是主要噪聲源。

3）從負載噪聲和空載噪聲中分離出6階次和12階次進行比較，其空、負載噪聲基本一致，排除其對36階次電磁噪聲進行疊加的可能。可以得出電磁噪聲是36階次本身產生，與6、12階次無關，而發電機部件中階次為36的只有定子，因為定子槽數為36。

4）電磁噪聲主要來源于電磁振動，是由發電機氣隙磁場作用于發電機鐵芯產生的電磁力激發所引起的[4]。筆者對定子鐵芯的振動進行分析測試，發現發電機在負載工況下，超標轉速點附近定子振動加速度三方向明顯都比空載高出許多，說明超標噪聲來源于此振動現象。

圖4 發電機36階次噪聲試驗結果

3 車用發電機降噪優化設計

3.1 定子的改進設計

由前文分析的噪聲成因可知，本車用發電機降噪需針對定子異常振動進行改善設計，即分別對定子鐵芯和定子繞組進行振動改善。

3.1.1 定子鐵芯的改進設計

定子鐵芯由硅鋼片疊成，通過增加疊片的數量，從而提高定子鐵芯的剛度，減小振動產生，以達到改善噪聲的目的。依照此方案制作改善樣件進行噪聲測試，結果顯示改善后樣件噪聲有所降低。

3.1.2 定子繞組的改進設計

定子繞組是三組用漆包線對稱地嵌入定子鐵芯槽內的線圈，是通過滴入絕緣漆固定在定子鐵芯槽內的。因此，可增加滴漆量使定子繞組更好的固定在鐵芯槽內，減少定子繞組的振動。依照此方案制作改善樣件進行噪聲測試，結果顯示在低轉速時噪聲有所改善。

3.2 轉子的改進設計

定子的振動其中一部分原因是轉子產生的磁場電磁力撞擊定子鐵芯產生的，說明轉子提供相對穩定的磁場對于減少定子振動起到至關重要的作用。所以減少轉子的振動也是改善發電機電磁噪聲的重要手段。

由以往工程經驗可知，增加斜槽可以降低電磁噪聲，斜槽可使徑向力波沿電機軸向的軸線發生相位移，使得沿軸向平均徑向力降低[5]。同理，本設計增大轉子的倒角也可達到降低電磁噪聲的目的，如圖5所示。對改善樣機進行測試，結果顯示低速電磁噪聲有明顯降低。

圖5 改善前后爪極式樣的對比示意圖

3.3 其他部件的改進設計

3.3.1 端蓋的改善設計

驅動端蓋和電刷端蓋支撐著定子鐵芯。通過減少驅動端蓋和電刷端蓋的止口大小，使定子鐵芯更緊的固定在它們之間[6]。依照此方案制作樣件進行噪聲測試，此改善方案有一定效果。

3.3.2 軸承間距改善設計

為了減小轉子振動，將轉子大軸承位置向右移動，以縮短轉子兩端軸承的距離，從而更穩定的支撐轉子軸，減小轉子的振動。制作改善后樣件進行試驗，在低速有少許改善。

3.4 整改后噪聲測試

經過以上各部件的改進，超標發電機的負載噪聲得到明顯的降低，而且滿足了主機廠要求。圖6是改善前后發電機負載噪聲對比曲線，可明顯看出改善后較改善前負載噪聲有明顯降低。圖7是改善后發電機空載狀態下的測試結果，可以發現改善后空載噪聲也有明顯降低。

圖6 改善前后發電機負載噪聲對比圖

圖7 改善前后發電機空載噪聲對比曲線

4 結論

1）對樣機的噪聲試驗結果進行分析，找到了噪聲產生的主要階次為36階；

2）根據制定的試驗方案找到了影響36階次噪聲成因的主要部件；

3）依照以往工程經驗完成了針對定子、轉子、端蓋、軸承間距等改進設計；

4）針對改進后的部件進行噪聲測試，整機的負載噪聲和空載噪聲均有所降低，發電機整體性能指標得到提升；

5）改進后驗證試驗結果證明：當發電機的負載噪聲降低以后，發電機的空載噪聲也會隨之下降。

[1] 昌詩力.車用發電機噪聲試驗分析及控制方法研究[D].重慶:重慶理工大學,2017.

[2] 中國國家標準化管理委員會.旋轉電機噪聲測定方法及限值第1部分:旋轉電機噪聲測定方法:GB/T 10069.1－2006.[S].北京:中國標準出版社,2006.

[3] 王天利,張相坤,楊亮.用階次分析法識別起動機的異常噪聲[J].噪聲與振動控制,2014,34(1):169-172.

[4] 王冬梅,白銳,馮達,等.電動汽車永磁同步電機的有限元分析及優化[J].控制工程,2023,30(2):300-306.

[5] 石曉輝,昌詩力,施全,等.某款車用發電機低速噪聲源的識別與控制[J].噪聲與振動控制,2015,35(6): 69-73.

[6] 黃燕,王世余,蔣孝文,等.汽車交流發電機端蓋柵格對其氣動噪聲和溫度特性的綜合影響[J].交通運輸工程學報,2022,22(4):244-258.

Optimization Design of Noise Reduction for Vehicle Generator

TIAN Suqin, XIE Jiayin*, DONG Fangyu, LIN Lin

( Automobile and Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China )

In this paper, the noise test of a certain type of vehicle alternator is carried out by using the silence chamber, and the LMS software is used to analyze the noise later, and the key level point is found to be 36 orders. According to this order point, the test scheme is established and the test data is analyzed. The main cause of generator stator vibration is determined, and the cause components affecting this order noise are found. Referring to the previous engineering experience, the generator is optimized, and the optimized generator is tested and verified, and finally improved.

Generator; Noise test; Order analysis; Optimal design

U467

A

1671-7988(2023)21-111-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.023

田素琴（1999－），女，研究方向為汽車服務工程，E-mail:3275539032@qq.com。

謝佳茵（1981－），女，碩士，講師，研究方向為汽車噪聲與振動控制，E-mail:xiejiayin918@163.com。