车用交流发电机电磁噪声特性的实验研究

符为榕，陆益民，周宗琳，胡 腾

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥230009）

车用交流发电机电磁噪声特性的实验研究

符为榕，陆益民，周宗琳，胡 腾

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥230009）

针对车用交流发电机在低转速下噪声值偏高并伴有啸叫声的现象，基于实验研究车用交流发电机的噪声特性。首先在发电机上布置转速仪、加速度传感器和传声器，采集发电机在空载及负载状态下振动和噪声的时域信号；其次利用频谱、阶次分析等方法，找出了发电机在负载工况下低转速时噪声峰值的主要阶次成分；最后提出改进措施，对改进后的发电机进行测试，并对比分析改进前后发电机噪声的变化情况。分析结果表明，在低转速下发电机的主要噪声是电磁噪声，该电磁噪声的阶次成分与定子铁芯槽的个数相关，并且提出的改进措施能有效的降低发电机的电磁噪声。

声学；交流发电机；电磁噪声；阶次分析；定子铁芯

随着人们对汽车噪声重视程度的提高，对汽车噪声中的两大主要噪声源—发动机和发电机的质量要求也就越来越高。由于发动机噪声研究与控制已相当成熟，发电机噪声便在汽车噪声中突显出来，所以就要求发电机具有较好的噪声特性。发电机的振动和噪声水平是评价汽车发电机性能好坏的重要标志之一。不正常的振动不仅会影响发电机的寿命，而且是汽车噪声过大的主要原因。较高的汽车噪声直接影响乘车的舒适性，更会危害人们的身体健康。

根据噪声产生的机理，通常将发电机的噪声分为三大类：电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声。其中电磁噪声在发电机噪声总值中所占比例是一定的。由于发电机工作特性不同于其他的旋转机械，其电磁噪声为发电机所特有的噪声，故对发电机电磁噪声的研究是比较有意义的。

国外对发电机的理论研究较早[1，2]，许多专家深入研究了发电机的电磁噪声特性、产生机理和影响噪声的因素等。20世纪90年代，S.Kiippers和G.Nenneberger[3]提出了几种可靠的数值计算方法来预测发电机噪声，并取代了制造样机进行优化的传统优化方法。Ahmed A.A.Saad[4]全面地介绍了交流发电机的噪声特性，对三组不同型号的发电机测试的噪声值进行对比分析，总结出发电机噪声主要受转速的影响。

虽然国内对这方面的研究起步较晚，但也积累了较为丰富的经验，在理论分析和建模仿真方面取得了一定的研究成果[5—7]。王群京等[8]对爪极发电机负载磁场和电感进行了分析。采用三维有限元法对车用爪极发电机进行了计算，算出稳态时额定负载下发电机内三维磁场的分布和发电机各绕组的电感值。尚修敏等[9]针对电磁共振引起的车用发电机在低速段噪声超标问题，对发电机振动模态通过仿真和实验对比的方法进行分析，通过零部件自由状态下有限元仿真结果和试验结果对比进行校准，约束状态下整机模型仿真结果与整机模态试验结果趋于一致，最后对发电机端盖结构改进实现降噪亦证实噪声超标原因。

对交流发电机电磁噪声的实验研究方面的论文相对较少，本文则要通过实验的方法对发电机的电磁噪声特性进行研究。在不同加载条件下测试发电机噪声值并进行对比分析，提出改进措施，并验证措施的可行性。

1 发电机的工作原理

本文测试用的发电机为汽车用的有刷爪极发电机[10]，它主要由这几部分构成：爪极转子、定子、电刷、整流器、前后端盖、风扇、皮带轮等结构。

交流发电机工作原理：和电动机一样，发电机的定子铁芯槽内放有A、B、C三相并且线圈匝数相等的绕组；转子为压装在转轴上的二块爪极，爪极的空腔内装有磁轭，其上套有励磁绕组。当外面的励磁电流通入转子线圈后，在转子线圈上会感应出轴向磁通，使得一块爪极被磁化为N极，另一块被磁化为S极，形成了交叉的N、S磁极。发电机转子在驱动电机的带动下以一定转速旋转，相当于该转子磁力线也以相同速度在旋转。这过程相当于定子线圈在做切割磁感线的运动，最终在定子线圈中产生感应电动势。发电机和外负载电路连接后输出发电。

2 发电机电磁转矩和径向电磁力

发电机中主磁通大致上沿径向进入气隙，并在定、转子上产生径向力，从而引起电磁振动和噪声。同时它也产生切向转矩，引起切向振动。

该实例中发电机的转子部分为6对爪极，绕有励磁绕组；定子由叠片构成，共36槽。

2.1 电磁转矩

为了分析三相爪极发电机产生的电磁噪声，计算模型电磁转矩所使用耦合的场的共能表示如下：

式中 θr为转子位置，p为极对数。

在线性磁区域，共能则可以用定子电流、自感及互感表示如下

式中Lss(θr)为定子绕组自感，Lsf(θr)和Lfs(θr)为定子绕组和励磁绕组的互感，Lff(θr)为励磁绕组自感。

将定子绕组a、b、c三相绕组自感和互感代入公式（1），转矩方程如下

式中第一项由转子凸极引起的转矩，第二项由定转子电流产生的磁耦合引起的转矩，第三项为转子磁场和定子槽相互作用引起的转矩[10]。

2.2 气隙磁场产生的径向力波

由发电机气隙磁场产生，并作用于定子铁芯内表面单位面积上径向电磁力，按麦克斯韦定律，正比于磁通密度的平方，可按下式确定

其中μ0=2π×10-7h/m；b(θ,t)为气隙磁密。

当忽略饱和时，异步发电机气隙的磁通量密度等于磁势与磁导的乘积，定、转子绕组的合成磁势：

其中γ为定子绕组的谐波次数；μ为转子绕组的谐波次数。

当定、转子都有齿槽时，气隙磁导近似地可表示为

其中Λ0为磁导不变部分；λk1为转子光滑时定子齿决定的谐波磁导；λk2定子光滑时转子齿决定的谐波磁导。定、转子齿决定的复合谐波磁导，其值远远小于基波磁导。

由式（5）、式（6）可得

由式（4）得气隙磁场产生的径向力波为

由于振动阶次数较低、幅值较大的力波对发电机的振动和噪声起主要作用，因此可略去式中振动阶次数较高，振幅较小的力波分量，同时略去恒定分量，因为它们不会产生振动和噪声。故有

上式中第一部分是2f1（即二倍电源频率）的振动，它是发电机中主要的振动分量之一。尤其是在大型发电机中，由于定子的固有频率较低，这种频率的振动分析和研究显得特别重要。对于中小型发电机，这种频率的振动大小对定子振动振幅影响较大，但由于人耳的衰减作用，对噪声的影响不大，一般不予考虑。第二部分是由于定、转子的齿谐波相互作用所产生的力波[5]。它们一般是电磁噪声的主要分量，尤其是对中小型发电机。这些力波的阶次数小、振幅大，且频率分布一般在人耳的敏感区。因此，对它们的分析是发电机电磁噪声研究的主要任务[5]。

3 诊断实例与分析

3.1 实验测试系统

本文的实验是在一个特定的测试系统下，在空载及负载两种实验状态下测试发电机随转速升高过程中的噪声及振动值[11]。实验过程如下：首先将发电机固定在实验台上，并在发电机的机壳和安装发电机的基座上各布置一个三向加速度传感器；其次在发电机右侧端盖处放置一个传声器；其三将转速仪的正负极接到发电机上，并将所有设备连接到测试仪上；最后控制实验台，使发电机的转速以50 r/ min的速度均匀增加，分别采集它在负载和空载时的转速、振动和噪声信号。负载状态时，发电机接上15 V左右负载电压；空载状态时，发电机通上恒定的电流。发电机与实验台基座相连处有隔振橡胶。图1为整个测试系统。

图1 交流发电机现场测试图片

3.2 实验数据的分析

实验过程中，主观感觉在整个转速范围内，发电机的噪声较高，并且在某转速下有啸叫声。

图2为发电机在两种工况下的噪声总值。其中X轴表示发电机的转速范围从1 900 r/min～9 800 r/ min；Y轴表示发电机在A计权下的噪声总值。从图中可以清晰的看出，发电机的噪声与转速密切相关。随着转速升高，发电机噪声总值逐渐增大。当转速在4 500 r/min以下时，发电机在负载状态下的噪声总值波动非常大，比它在空载时同转速下的噪声总值高出4～10 dB；转速在4 500 r/min以上时，发电机在两种工况下的噪声总值曲线相吻合。此外转速达到5 500 r/min时，负载工况下发电机存在噪声峰值。

图2 发电机在空载、负载状态下噪声总值

通过对比发电机的三向加速度可知，发电机Z向的加速度最大，其中Z向是发电机的径向。图中X轴表示转速，Y轴表示发电机机壳的振动加速度。从图3能看出，转速在5 000 r/min以下时，发电机负载状态下机壳的Z向加速度要大于空载时的Z向加速度；结合图2看出，同样在该转速以下，发电机负载时的噪声总值要高于空载时的噪声总值。然而转速在5 000 r/min以上，发电机负载时机壳Z向加速度要远远大于空载时的加速度值；但同转速下发电机在两种工况的噪声总值相等。说明高转速下，机壳径向振动对发电机噪声贡献很小；在低转速时的贡献很大。

图3 发电机在空载和负载下机壳三向振动加速度

进一步分析发电机在整个转速范围内，其噪声所包含的阶次成分。图4、图5为发电机A在负载和空载状态下的阶次成分。图中X轴表示发电机的阶次成分，Y轴表示转速，Z轴表示发电机在A计权声压级。从图4清晰的看出，低转速下发电机的噪声主要受发电机转速基频36阶的影响；转速在5 500 r/ min时，从图中依然可以看到噪声峰值受72阶的影响。在图5中，发电机在低转速下的噪声值减小了，并且5 500 r/min的噪声峰值也消失了。

图5 发电机空载状态下噪声的谱谱图

明确了发电机在低转速下主要受基频36阶次影响较大，接着对发电机的噪声值做阶次分析[12]，其结果如图6所示。可以发现发电机低转速下的噪声总值与36阶的噪声值两者曲线相吻合。此发电机的定子铁心为36槽，由此可以推断出36阶的噪声值是与发电机定子槽相关，即1阶齿谐波。同样的发电机在转速达到5 500 r/min时的噪声峰值是由72阶噪声导致的，即2阶齿谐波。

图6 发电机噪声总值与36、72阶的噪声值比对

为了降低发电机在低转速下的电磁噪声，可从振动的传播路径和噪声源控制出发。在此我们提出了在发电机定子与机壳间加入阻尼材料的方法，这样可以部分衰减发电机定子传导到机壳上的振动，这样便能降低发电机的电磁噪声。

图7 发电机改进前后负载状态下噪声总值

在相同测试系统中测试改进后发电机的噪声值，并与改进前的发电机做比较，结果如图7所示。改进后的发电机在低转速下噪声总值较改进前有明显改善，噪声值变化比较平稳。而在高转速下，发电机的噪声总值略有下降，但变化不明显。可以看出该阻尼材料能有效的降低发电机低转速时的电磁噪声，而高转速时降噪幅度较低转速时要小。另外也可以从改进发电机爪极、定转子间的气隙厚度等方式削弱电磁力的谐波成分，来对发电机进行降噪。

4 结语

本论文通过实验的方法得出了以下结论：

（1）低转速下，发电机的主要噪声源是电磁噪声。但在高转速下，电磁噪声对发电机的噪声总值贡献较少。这是因为低转速下，发电机的机械噪声和空气动力噪声比较小；随着转速的升高，发电机的振动加剧、风扇转速升高，使得发电机的机械噪声和空气动力噪声变大；此时发电机所接负载功率不变，电磁噪声恒定，故电磁噪声对高转速下发电机噪声总值影响很小；

（2）低转速下，此发电机电磁噪声中的36阶成分比较显著，这1阶次成分与其定子铁芯槽的数量相关。可知电磁噪声主要是由定子铁芯的径向振动引起的；

（3）通过限制发电机定子振动的传播路径，能有效的降低发电机的电磁噪声。如在定子铁芯和机壳间加入阻尼材料，能有效的降低发电机在低转速时的电磁噪声。

此次实验的结果为我们了解发电机电磁噪声特性及降低发电机噪声提供了可靠的数据，具有一定的参考价值。

[1]N.T.舒波夫，沈官秋译.电机的噪声和振动[M].北京：机械工业出版社，1980.

[2]I.Ramesohl,G.Henneberger,S.Kiippers,et al.Three dimensionalcalculationofmagneticforcesand displacementsofaclaw-polegenerator[J].IEEE Transactions on Magnetics,1996,32(3)∶1685-1688.

[3]S.Kiippers,G.Nenneberger.Numerical procedures for the calculation and design of automotive alternators[J].IEEE Transactions on Magnetics,1997,33(2)∶2022-2025.

[4]Ahmed A.Saad.Vehicle alternator electromagnetic noise characteristics determination[J].SAE Technical Paper, 2009,10.4271.

[5]陈永校，诸自强，应善成.电机噪声的分析和控制[M].杭州：浙江大学出版社，1987.

[6]韩伟，贾启芬，邱佳俊.异步电机定子的振动与模态分析[J].振动与冲击，2012，31(17)：91-94.

[7]代颖，崔淑梅，宋立伟.车用电机的有限元模态分析[J].中国电机工程学报，2011，31(9)：100-104.

[8]王群京，倪有源，姜卫东，等.汽车用爪极发电机负载磁场和电感的分析与计算[J].中国电机工程学报，2004，24 (3)：91-95.

[9]尚修敏，闫兵，董大伟，等.车用发电机的模态分析[J].噪声与振动控制，2013，33(6)：110-114.

[10]王群京，倪有源.爪极电机的结构理论及应用[M].中国科学技术大学出版社，2006.

[11]聂永红，程军圣.自适应滤波在车用发电机噪声测试中的应用[J].噪声与振动控制，2011，31(2)：151-155.

[12]汪伟，杨通强，王红，等.非稳态信号计算阶次分析中的重采样率研究[J].振动、测试与诊断，2009，29(3)：349-351.

Experimental Research on Electromagnetic Noise Characteristics ofAutomotiveAlternators

FU Wei-rong,LU Yi-min,ZHOU Zong-lin,HUTeng

(Institute of Mechanical andAutomotive Engineering,Hefei University of Technology, Hefei 230009,China)

∶For the noise of automotive alternators at low speed is high and accompanied by whistle,the noise characteristics of a vehicle’s alternator were studied experimentally.Firstly,tachometer,acceleration sensors and microphones were laid out in the generator and the signal of the generator in time domain under load-free and loading condition was collected.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 at low speed.Finally the improvement measures are put forward and the improved generator was tested.The noise of the improved generator is compared with that of the original generator.Analysis results show that the main noise of the generator at low speed is electromagnetic noise;the order components of the electromagnetic noise is associated with the slot number of stator core;and the improvement measures can effectively reduce the electromagnetic noise of the generator.

∶acoustics;alternator;electromagnetic noise;order analysis;stator core

TM301.4+3< class="emphasis_bold">文献标识码：ADOI编码：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.019

1006-1355(2014)06-0085-05

2014-04-30

符为榕（1989-），男，江苏省南通市人，硕士生，主要研究方向：机械系统动态特性研究。

陆益民，男，硕士生导师。

E-mail∶Yimin_Lu@163.com