車用交流發電機整機的模態分析與試驗研究

段 敏，郝 亮，李衛民，曹景勝

(遼寧工業大學，錦州 121001)

?

車用交流發電機整機的模態分析與試驗研究

段 敏，郝 亮，李衛民，曹景勝

(遼寧工業大學，錦州 121001)

根據某一類型爪極發電機的基本尺寸，建立發電機的整機三維模型，并且利用Hyper Mesh軟件對其進行網格劃分，用有限元法對電機的整機模型進行模態分析，確定振型和固有頻率，最終通過試驗方式驗證了仿真結果的正確性，以及電機的5階模態對噪聲和振動的貢獻最大。由此建立了一整套較為完整分析流程，為進一步對同類別發電機電磁噪聲問題研究奠定了一定基礎，具有一定的工程應用價值。

爪極發電機；有限元法；模態分析；固有頻率

0 引 言

隨著生活水平的提高，人們對日常工作和學習的環境舒適性提出了更高的要求，發電機的電磁噪聲作為影響車輛舒適性的主要噪聲源之一，受到了研究人員的重視[1]。但是，電磁噪聲問題較為復雜，它是定、轉子之間的氣隙磁密產生電磁力波，該力波的徑向分量作用在定子上產生振動引起的[2]，通過研究電機的固有模態和頻率來確定徑向激振力和諧振頻率對于有效預測抑制電機的電磁噪聲具有重要意義。

本文利用CATIA建立優化的電機整機三維模型，導入HyperMesh網格劃分軟件中通過定義材料屬性對三維模型進行網格劃分，然后將其導入到ANSYS Workbench對車用電機整機進行模態分析，進而得到整機的模態陣型和固有頻率，并與試驗結果進行比較，結果表明電機整機的5階模態產生了最大的噪聲和振動，這對爪極電機的技術改進有一定的參考價值。

1 有限元分析的結構動力學簡介

動力學分析作為確定結構動力學的一種技術手段，其分為兩類，第一類是結構固有模態，它包括結構自身的的固有頻率和對應陣型，第二類是屬于動態過程，主要研究物體在外力作用下的結構響應，它包括位置的變化、結構的形變和受到的內力問題，這些量是隨時間變化的[3-4]。本文對電機的整機分析采用的是第一類方式。

電機的動力學問題遵循的平衡方程[5]：

動力學分析適用于快速加載，沖擊碰撞的情況，因為在這種條件下，不能忽略慣性力和阻尼的影響。如果結構靜定，載荷速度較慢，則在計算動力學結果中，可以把它歸類為靜力學問題[6]。

電機的模態分析可歸結為靜力學問題，通過電機的模態分析可以有效地幫助電機設計人員在設計電機過程中避開電機的固有頻率，從而避免了共振，并且還能幫助工程師預測不同加載下的結構振動。此外，借助模態分析可以估算其它動力學的參數，比如為了保證瞬態動力學響應的精度，通常會要求在結構上取不少于25個振動周期點，進而通過模態分析就可確定結構的自振周期，這可給設計人員對研究發電機的其它振動響應具有非常好的參考價值。

模態分析模態提取方法通常包括[7-10]：Block Lanczos, Subspace, PowerDynamics,Reduced ,Unsymmetric,Damped等。本文選用Blcok Lanczos法，這種方法和子空間法一樣精確，但速度更快。無論EQSLV命令指定過何種求解器進行求解，Block Lanczos法都將自動采用稀疏矩陣方程求解器。在殼體單元和實體單元的分析中經常應用這種算法。

2 發電機整機模態分析

發電機的前后端蓋通過緊固螺栓與定子緊密固定在一起，徑向電磁力作用于定子時，會將這部分力傳遞給前后端蓋，由于發電機前后端蓋(外殼)剛度小、易變形，因此，為了研究定子對前后端蓋的作用和對整機頻率的影響，建立整機模型進行模態分析。

汽車發電機零件種類多、結構復雜，整流板、風扇等參數不確定，而這些零件對電機本身的模態影響較小，建模時候可忽略不計[11]。因此，僅需要建立發電機前端蓋、定子、后端蓋及整機的三維有限元整機模型，以表1作為CATIA建模的基礎數據。

表1 爪極發電機的整機的基本參數

將CATIA建立三維電機模型導入HyperMesh中進行材料及屬性的添加(可參考表2)，并完成網格的劃分(如圖1所示)，然后將其導入Workbench，對網格質量進行檢查，對于沒有劃分小部分網格，如果出現計算錯誤，可通過sizing去單獨定義這部分的網格大小，然后單獨進行劃分，完成整體網格劃分。最后在轉子及其它部分以以集中質點的方式施加載荷在整機上進行模態分析。

圖1 整機模型圖

表2 材料屬性表

對模型進行求解，得出其各階固有頻率(見表3)和振型云圖(見圖2)。

表3 模態分析結果

(a)1階振型(b)2階振型(c)3階振型

(d)4階振型(e)5階振型(f)6階振型

圖2 發電機整機各階振型圖

通過圖2振型圖可知，前端蓋受到定子的影響較大，所以對于作用在定子上的電磁力，傳遞給前端蓋遠遠大于后端蓋。發電機在2階、3階、5階的固有頻率下，陣型較大，所以在電機設計過程中，盡量避免電磁力波的頻率與這三階的固有頻率相近。

3 車用發電機的電磁振動測試試驗與分析

3.1 電磁噪聲試驗

根據發電機研究人員的研究結果，轉速和噪聲頻率的關系式：

(1)

式中：f為電磁噪聲的頻率；O為階次；n為發電機轉速；Z為定子齒數。

由式(1)可知，電磁噪聲的頻率與轉速和階次成正比，發電機在6 000 r/min運行時,電磁噪聲為3 600 Hz，后續實驗就是在半消聲室中采集6 000 r/min發電機整機的振動和噪聲，如果這個點是共振頻率點，也對應著最大噪聲頻率點。

測點選擇參考國內某電機制造公司五點法發電機噪聲測試標準，在距離電機中心0.4 m處有5個測點(前、后、左、右和上測點)以及前端蓋處加裝加速度傳感器作為第6個測點，應用DS0250 Throughout Disk對數據進行采集并存儲至計算機進行有效分析。試驗臺架圖片和測點布置如圖3所示，整個測試系統的電路圖搭建如圖4所示。

圖3 試驗臺架示意圖

圖4 車用交流發電機噪聲試驗電路圖

3.2 電磁噪聲結果與分析

3.2.1 36倍頻電磁噪聲存在性驗證

電機在1 100～17 968 r/min下的噪聲3D頻譜圖，如圖5所示。

圖5 發電機的噪聲

圖5中的亮色斜線所對應的數字分別表示電機噪聲中的12倍頻、16倍頻、24倍頻、30倍頻、36倍頻數，由此證實了36倍頻噪聲的存在。

3.2.2 電磁噪聲試驗結果分析

通過上面所搭建的試驗裝置對發電機整機做振動和噪聲試驗，讓發電機在6 000 r/min穩定運行15 s，分別取14.86 s，14.88 s，14.90 s時刻3 600 Hz左右的振動幅值，并應用LMS Test.Lab對采集數據分析，從而得到如表4所示前端蓋第6個測點振動達到峰值；同時也可得到6 000r/min左右負載時發電機的整機噪聲(機械噪聲、空氣噪聲和電磁噪聲)試驗結果。

表4 發電機前端蓋振動位移的仿真與測試結果對比

由圖6可知,發電機3 600 Hz產生的聲壓級最大。由上節仿真可知,發電機在2階、3階、5階的固有頻率下，振型較大，也就是此時36倍頻電磁力的頻率接近了發電機的5階振型的固有頻率值(3629.6Hz)，在共振點處振動和噪聲級較高，這是產生電磁噪聲主要成分，電機固有頻率為3 629.6 Hz。

圖6 發電機在6 000 r/min噪聲

4 結 語

(1) 14 V/1 200 W型號的電機頻率在3 629.6Hz附近時，此時電磁力波頻率與電機固有頻率相近，振動幅度達到最大，噪聲級達到最大。有限元計算固有頻率結果與試驗結果非常吻合，證明有限元理論的高效性和正確性。

(2) 發電機電磁噪聲中36倍頻成分的電磁力波與發電機整體結構的固有頻率一致，使發電機發生共振，而其它倍頻對電磁噪聲的影響較小。由36倍頻噪聲產生的原因可以得出，在電機設計中盡量避開電機整機第5階振動頻率來設計電機。

[1] 黃禮文,王宗培.電動機噪聲理論和控制技術的進展[J].電工技術學報,2000，15(5):34-38.

[2] MUTHER R.Systematic layout planning[M].Boston:Cahners Books,1974.

[3] 齊輝,李永輝,段建剛.電機噪聲的類別、分類方法以及防治措施的研究進展[J].微特電機，2007,35(3):46-48.

[4] HARRAR M S,GIBSON R F.Numerical simulation of modal vibration response of wavy carbon nanotubes[J].Journal of Composite Materials,2009,43(5):501-515.

[5] WANG Honghua.Optimization of interval time of two stage commutation method for the reduction of vibration and acoustic noise in SR motors[C]//ICEMS.Nanjing,2005:685-689.

[6] 王天煜,王鳳翔.大型異步電動機定子振動與模態分析[J].中國電機工程學報,2007,27(12):41-45.

[7] 鮑曉華,劉健,倪有源.汽車爪極發電機定子模態分析和固有頻率計算[J].汽車工程,2011,12(33):1088-1091.

[8] CHANG H W,WU T L.Vectorial modal analysis of dielectric waveguides based on a coupled transverse-mode integral equation.ii.numerical analysis[J].Journal of the Optical Society of America A:Optics and Image Science,and Vision,2006,23(6):1478-1487.

[9] BELAHCEN A.Magnetic Forces alculation for noise analysis of electrical machines[J].VTT symposium (valtion teknillinen tutkimuskeskus),2001,20(9):7-13.

[10] 舒波夫.電機的噪聲和振動[M].北京:機械工業出版社,1980:89-92.

[11] 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.

Modal Analysis and Experiment Research of Generator for Vehicles

DUANMin,HAOLiang,LIWei-min,CAOJing-sheng

(Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China)

According to the basic size of some kind of claw-pole generator, a three-dimensional model of the generator was built and it imported into HyperMesh software in order to mesh grid in the paper.Finite element method was used to make modal analysis in order to determine vibration mode and calculate the natural frequency.Finally, correctness of the simulation results and the 5th order modal of the most of contribution to the noise and vibration of generator are proved in experiment.So a set of relatively complete analysis process lays certain foundation to further research electromagnetic noise of generator in the same category and has certain engineering application value.

claw-pole generator; finite element method; modal analysis; natural frequency

2016-05-03

遼寧省科技攻關項目(2013220022)

TM35

A

1004-7018(2016)09-0023-03

段敏(1963-)，教授，研究方向為車輛系統動力學及控制、電動汽車關鍵技術。