乘用車超靜音發(fā)電機(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)要求也越來越嚴(yán)格[1]。發(fā)電機(jī)、發(fā)動機(jī)、輪胎等是車內(nèi)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(jī)。伴隨發(fā)動機(jī)技術(shù)精度的提高，其噪聲已經(jīng)得到很好的控制，發(fā)電機(jī)噪聲便凸顯出來，降低整機(jī)噪音及零部件的噪音水平越來越受到整機(jī)及零部件企業(yè)的重視[2]。研發(fā)一款超靜音發(fā)電機(jī)成為行業(yè)共同的目標(biāo)，本文探究一套研究超靜音發(fā)電機(jī)的技術(shù)路線，可對發(fā)電機(jī)的設(shè)計有一定的指導(dǎo)作用。

1 乘用車發(fā)電機(jī)主要噪聲源及特征

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

1.1 電磁噪聲

電磁噪聲在發(fā)電機(jī)設(shè)計時由電氣參數(shù)、機(jī)械參數(shù)和裝配工藝決定。它是由定子、轉(zhuǎn)子間的電磁力產(chǎn)生力波使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動輻射出來。在中低速下的電磁噪聲是汽車發(fā)電機(jī)噪聲的主要成份，它通過結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(dāng)電機(jī)工作狀態(tài)下的電磁力波與發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子齒槽的影響下磁導(dǎo)會發(fā)生周期性變化從而導(dǎo)致氣隙磁密度周期性變化也會產(chǎn)生電磁噪聲。

磁路的不對稱以及定子、轉(zhuǎn)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(chǎn)生噪聲。

1.2 機(jī)械噪聲

發(fā)電機(jī)的機(jī)械噪聲主要是碳刷與集電環(huán)摩擦、轉(zhuǎn)子兩端軸承、轉(zhuǎn)子等部件產(chǎn)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(dāng)軸承中的鋼圈與軸承外圈相對運(yùn)動時，由于撞擊激勵產(chǎn)生振動就會產(chǎn)生軸承噪聲。其產(chǎn)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(chǎn)生周期性的彈性變形，從而產(chǎn)生振動和噪聲[6]。

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

機(jī)械噪聲是在電機(jī)噪聲中避免不了的。電磁噪聲與機(jī)械噪聲也是緊密相關(guān)的。因為機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)振動會影響到電磁場；同時，電磁力也會改變結(jié)構(gòu)振動的幅值。

1.3 空氣動力噪聲

風(fēng)扇噪聲和轉(zhuǎn)子噪聲是空氣動力噪聲的主要貢獻(xiàn)者。交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子兩端安裝有風(fēng)扇，用于給發(fā)電機(jī)內(nèi)部降溫。在發(fā)電機(jī)的工作過程中，風(fēng)扇隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)入與導(dǎo)出氣流給其降溫，此時葉片曲面和風(fēng)扇圓盤以及邊緣的氣流擴(kuò)散可形成紊流，引起寬頻帶噪聲。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)噪聲的大小主要由轉(zhuǎn)子表面紊流和風(fēng)扇葉產(chǎn)生的氣流擴(kuò)散決定。其次，風(fēng)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(fēng)道與風(fēng)量設(shè)計后，風(fēng)扇的造型也將給交流發(fā)電機(jī)的通風(fēng)效果和降低噪聲帶來影響，采用不等分間距的奇數(shù)扇葉；盡量減小風(fēng)扇半徑；調(diào)解風(fēng)扇動平衡等手段可降低風(fēng)扇噪聲。

2 超靜音發(fā)電機(jī)的研究開發(fā)方法

通過噪聲源特征分析及實驗數(shù)據(jù)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(jī)的研究主要研究對象為減弱電磁噪音，消除低轉(zhuǎn)速下的噪音峰值。

2.1 超靜音發(fā)電機(jī)研究的主要內(nèi)容

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

根據(jù)噪聲產(chǎn)生的機(jī)制，本研究的主要研究內(nèi)容為分析定轉(zhuǎn)子間氣隙大小，轉(zhuǎn)子動平衡水平，隔振橡膠墊使用，定子轉(zhuǎn)子的同軸度、圓度偏差等形位公差和物理結(jié)構(gòu)對發(fā)電機(jī)噪聲振動的影響。

1）適當(dāng)增大氣隙，增大定轉(zhuǎn)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(jī)的輸出降低，效率降低，溫升損耗加大，氣隙的增大要經(jīng)精確的計算。

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

3）減少定轉(zhuǎn)子間的動態(tài)偏心，為了達(dá)到此目的，需要研究計算轉(zhuǎn)子的圓度，同軸度及轉(zhuǎn)子軸的剛度。轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子軸有一定的彎曲，導(dǎo)致一邊氣隙大，另一邊氣隙小，磁阻沿圓周產(chǎn)生周期性變化，使基波磁勢增加了一個諧波分量。諧波次數(shù)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，引起旋轉(zhuǎn)中單邊磁拉力產(chǎn)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(dǎo)磁材料可提高轉(zhuǎn)子的剛性。再者，轉(zhuǎn)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(jī)端蓋間采用適當(dāng)?shù)膹椥圆牧?，將定子的振動通過彈性材料進(jìn)行一定的阻尼消弱，能夠達(dá)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(nèi)部與外部開口的尺寸或者增加零部件將槽口密封，達(dá)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(shù)量，調(diào)整疊片的壓緊力可使噪音狀況得到改善。

根據(jù)以上研究的方向，依據(jù)仿真分析及試驗對比結(jié)果提出具體的改進(jìn)措施，對定子、轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵設(shè)計及工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)從而改變其模態(tài)入手并對改進(jìn)后的發(fā)電機(jī)進(jìn)行測試分析，驗證改進(jìn)措施的可行性。同時建立發(fā)電機(jī)整機(jī)的有限元模型，在自由狀態(tài)及約束狀態(tài)下對其進(jìn)行模態(tài)計算，得出發(fā)電機(jī)端蓋及轉(zhuǎn)子爪極的剛度變化對發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)的最佳措施，并進(jìn)行相關(guān)試驗驗證。

2.2 研究技術(shù)路線

考慮到發(fā)電機(jī)電磁噪音的關(guān)聯(lián)因素眾多且復(fù)雜，本研究方法以理論研究為基礎(chǔ)，運(yùn)用UG/ANSYS建立發(fā)電機(jī)三維有限元模型，采用有限元法對發(fā)電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)磁場仿真，得出空載及負(fù)載時定、轉(zhuǎn)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(jī)某一個定子齒上徑向電磁力進(jìn)行頻譜分析，確定其主要頻率成分。接著采用試驗?zāi)B(tài)與計算模態(tài)相結(jié)合的方法，對發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行控制變量下的更改，然后對改進(jìn)后的發(fā)電機(jī)固有頻率及模態(tài)振型進(jìn)行對比，篩選出最優(yōu)方案進(jìn)行樣件制作與驗證，技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)研究路線

2.3 試驗驗證方案

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

3 結(jié)論

本文通過對車用交流發(fā)電機(jī)的噪聲源及特征的分析，得到關(guān)于超靜音發(fā)電機(jī)的研究方法，優(yōu)化減小發(fā)電機(jī)電磁噪音的技術(shù)路線。若按照此套方案進(jìn)行，能夠?qū)ζ嚢l(fā)電機(jī)的噪音有一定的改善，從而提高車輛的駕乘舒適性。