車載交流電機噪聲振動分析與試驗研究

楊平

摘 要：為研究某同步交流電機的噪聲來源和噪聲變化規律，該文通過試驗對交流電機的噪聲特性進行研究。首先設計開發了電機噪聲振動分析系統，采集電機在空載及負載狀態下噪聲的時域信號;其次利用頻譜、階次分析等方法，找出了發電機在兩種工況下噪聲峰值的主要階次成分，并找到了電磁噪聲出現峰值現象的原因。分析結果表明，電機在空載工況下，風扇噪聲是最大的噪聲源;負載工況下，發電機轉速在3000r/min和6000r/min附近出現的噪聲峰值是由36階徑向電磁力波引起電機機殼的共振而產生的。

關鍵詞：發電機;電磁噪聲;噪聲試驗;階次分析

中圖分類號：TM306 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）16-140-03

Abstract： In order to study the noise of a vehicle synchronous AC motor ，the noise characteristics of a vehicles alternator were studied experimentally. Firstly， the noise vibration analysis system of motor vehicle is designed and developed， and the time domain signal of the noise of the motor in no-load and load condition is acquired. Secondly， the main order components of the noise peak value of the generator were found through the methods of frequency spectrum and order analysis in the loading condition， and the cause of peak phenomenon of electromagnetic noise was found. The results show that the fan noise is the biggest noise source under no-load condition ，and In the load condition， the noise peak at the vicinity of 3000r/min and 6000r/min is generated by the resonance of the 36-step radial electromagnetic wave causing the motor end cover.

Keywords： Automobile generator; Electromagnetic noise; Noise test-bed; Order analysis

CLC NO.： TM306 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）16-140-03

引言

隨著用戶對汽車乘坐舒適性要求的不斷提高，對車載發電機的噪聲，尤其是怠速工況時發電機的噪聲提出了更加嚴格的要求[1]。發電機的振動和噪聲水平也是評價汽車發電機性能好壞的重要標志之一。因此，對車載交流電機噪聲進行研究不僅是市場的需求，更是企業解決電機噪聲問題，提升產品性能的重要課題。

近年，隨著高校和科研機構對發電機理論和試驗研究的重視，我國在電機噪聲評價與控制方面積累了較為豐富的經驗。吳小珊、施全等人提出了一種基于噪聲主觀評價結果，采用階次分析的乘用車啟動電機客觀評價方法，解決了電機噪聲聲品質的評價問題[2]。鄭江利用多物理場有限元仿真與試驗相結合的方法對異步電機的噪聲問題進行了研究并提出了抑制方法[3]。林福、左曙光等通過試驗對常見的機械噪聲和電磁噪聲特點進行了研究，通過此項研究工作可識別永磁同步電機的每一階次噪聲和共振噪聲的來源[4]。于莫巖、劉茜等人利用有限元仿真與試驗驗證相結合的方法對永磁同步電動機高頻噪聲激勵源和噪聲特點進行了研究，得出了高頻幅值噪聲頻率與變頻器開關頻率的對應關系式[5]。符為榕、陸益民等人針對車用交流發電機在低轉速下噪聲值偏高并伴有嘯叫聲的現象，通過實驗方法對發電機的電磁噪聲特性進行了研究[6]。

本文結合某研究院對電機振動噪聲的測試研究項目，設計開發了車載交流電機噪聲振動分析系統，運用噪聲測試儀及噪聲分析軟件進行不同加載條件下噪聲值的測試和對比分析。該系統既可有效地對交流電機在運行過程中的穩態噪聲進行測試，也可對其在升/降速、瞬態等非穩態過程的噪聲進行監測和分析，進而為降低車載交流發電機的振動噪聲提供了數據和思路。

1 測試分析系統

本次試驗的采樣頻率和分析頻率分別為：48000Hz和20480Hz。試驗臺架用聲壓傳感器G.R.A.S46AE記錄交流發電機的噪聲信號，用兩個分別布置在發電機前端蓋和發電機安裝支點上的加速度傳感器采集交流發電機的振動信號，用光電轉速傳感器對轉速進行監測。試驗臺機械機構如圖1所示。驅動電機用來模擬發動機，對試驗系統的轉速進行控制。

2 交流發電機噪聲試驗及分析

2.1 空載噪聲試驗

發電機空載時的噪聲主要為空氣動力噪聲和機械噪聲，空氣動力性噪聲來源是電機通風系統中氣流壓力的局部迅速變化和隨時間的急劇脈動，以及通風氣流與電機風路管道的摩擦[2]。空氣噪聲的特征頻率計算公式為[9-10]：

從圖中可以看出，當轉速小于 5000 r/min時，發電機負載狀態下的噪聲總值變化較快，波動較大，也可發現在該轉速范圍內發電機噪聲總值與36階噪聲值的變化曲線相吻合。因被試發電機的定子槽數為36，由此可以推斷36階的噪聲值與發電機定子槽相關。發電機在3000r/min和6000r/min轉速附近各階電磁噪聲都存在峰值現象，這也是總體噪聲出現峰值的原因。在轉速6000r/min附近，發電機總體噪聲與各階次噪聲值最為接近，轉速大于7000r/min時，主要噪聲源為12階風扇噪聲。

分析噪聲峰值產生的原因，發電機中主磁通大致上沿徑向進入氣隙，并在定、轉子上產生徑向力，從而引起電磁振動和噪聲，同時它也產生切向轉矩，引起切向振動，發電機定子槽產生的振動傳遞給機殼，是否是因為機殼固有頻率與電磁噪聲頻率發生了重合，導致共振引起峰值噪聲。為探明其原因，需對發電機機殼進行模態分析。

對模式試驗結果進行分析，發現電機機殼的傳遞函數在1700Hz處出現了峰值，而電磁噪聲出現第一個峰值轉速為3000r/min，由式（3）可計算得到該處的電磁噪聲頻率為1800Hz，剛好與電機機殼傳遞函數峰值頻率1700Hz重合。由此得出，發電機在3000r/min和6000r/min附近的36階噪聲峰值是由定子槽產生的電磁波傳遞給電機機殼引起的共振而產生。于是本文提出在發電機定子與機殼間加入減振材料改變電機機殼固有頻率或者改變發電機轉速的方法來降低電磁噪聲，避免噪聲峰值現象的發生。

對該交流發電機進行瞬態工況加速振動測試，發現轉速在2000r/min到5000r/min范圍出現噪聲值在70dB以上的只有18階次和36階次的電磁噪聲，這與低轉速下電磁噪聲為主要噪聲的理論相吻合;各階次噪聲隨著轉速的增加而增加，也再次說明了發電機負載噪聲隨轉速增大而增加的觀點。

3 結語

本文通過噪聲試驗得出了以下結論：

（1）運用階次分析方法進行了空載和負載噪聲試驗。發現電機空載工況下，風扇噪聲是最大的噪聲源。發電機在3000r/min和6000r/min處噪聲偏大是因為發電機在36階徑向電磁力波的激勵下與電機機殼產生共振造成的。該研究為本款發電機電磁噪聲的優化奠定了基礎;

（2）負載時車用發電機噪聲值大于空載時車用發電機噪聲值;

（3）低轉速下電磁噪聲是主要噪聲源，此時發電機電磁噪聲中的 36 階成分比較顯著。

參考文獻

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