某乘用车发电机性能开发与NVH控制

王维张军周维超赵勤

某乘用车发电机性能开发与NVH控制

王维1，2张军1，2周维超1，2赵勤1，2

（1.长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院；2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室）

论述了整车发电机产生噪声的机理，并针对某乘用车开发过程中存在的整车发电机啸叫案例进行研究。通过对整车发电机与单体测试，找出发电机啸叫的原因实为定子的问题。通过对发电机定子理论分析与计算，总结出该发电机定子的3个关键控制点。对控制点优化后进行整车验证表明啸叫问题已解决，同时建立了发电机电磁噪声开发目标体系。

1 前言

发电机噪声问题一直是汽车产品性能开发和NVH控制过程中的难点，该噪声主要通过固体和空气传播两种途径传到车内[1、2]。为了解决发电机噪声问题，国内外专家学者进行了大量研究，浙江大学陈永校等人指出发电机应该控制其气隙磁波的大小，使其远离定子的固有频率以防止共振[3]；诸自强用解析法计算了某型发电机的瞬态磁场分布，得出结果与有限元计算结果非常接近，然后又在前期研究基础上计算了改型发电机辐射的电磁噪声[4]；Javadi等人用数值计算的方法研究了作用在定子上的电磁力和定子响应[5]；Belahhcen采用有限元法对发电机铁芯和气隙中的磁场进行求解，得出了定子内表面的径向力分布[6]；Taegen等人提出增加发电机定子的相数可以减少气隙磁波的径向力，并通过试验加以验证[7]；Jean等人通过模拟试验的方法发现通过选择适当的转子或定子开槽宽度可以消除开槽力波，进而控制电机整体电磁噪声的水平[8]。以上主要从理论计算来研究电磁噪声，在工程实践方面的研究较少，本文主要从目前整车厂遇到的工程项目问题来研究发电机噪声。

2 发电机噪声产生机理

交流发电机噪声比较复杂，涉及多个学科的知识，但是从其机理上讲，可以分为电磁噪声、气动噪声和机械噪声。

2.1 电磁噪声

发电机正常工作时，在其磁场气隙中产生电磁力波，该电磁力波有径向和切向两个分量作用在定子铁芯上。其中，径向分量使定子铁芯产生的振动是电磁噪声的主要来源；而切向分量能够使定子齿根产生振动形变，这也是电磁噪声的一个重要来源。另外，由于爪极的结构特点，在某些特定转速下爪极的振动形变所辐射的电磁噪声会变得相当突出。因此，发电机内部构件的振动引起发电机外壳振动，进而辐射到发电机四周，就形成了电磁噪声[9]。

发电机磁场气隙中单位面积的径向电磁力[10]：

式中，B(θ,t)为气隙磁密，是机械位移角度θ和时间t的函数；μ为真空磁导率。

气隙中的合成磁场主要由基波磁场、定子和转子绕组谐波磁场、定子和转子气隙磁导1阶齿波磁场组成。

基波磁场产生的径向力波Pr为：

式中，P0为不变项，是均匀分布在定子上的压缩应力，并不会产生振动和噪声；P1为可变项，是一个旋转的径向力波，其产生的振动和噪声的频率为2f1（f1为电源频率）。

定子和转子绕组谐波磁场产生的力波Pu可表示为：

式中，Bγ为定子谐波磁通之间的作用；Bu为转子谐波磁通之间的作用，其对A计权总声压级贡献不大；BvBμ为某一个定子vα次谐波与一个转子μb次谐波间的作用。

因此，式（3）可以化简为：

令r=μ±v，则r就是磁场径向力波的极对数。定子在径向力波的作用下产生径向振动变化，进而产生电磁噪声，ω为波的角频率，Φ为波的相位角。径向变形的大小与径向力波的极对数r有关，定子铁芯变形的幅值大致与r4成反比。在中小型发电机中，一般只考虑r≤4的情况，其中r=2时的径向力波最容易产生电磁噪声。

由定子与转子气隙磁导1阶齿谐波所产生的力波可以导致气隙磁密周期性变化进而产生电磁噪声，其频率为f=iQn/60，其中i为谐波次数，Q为齿槽数，n为转速。

如果发电机转子或定子自身的固有频率与电磁力波的某个阶次频率很接近，那么即使很小的电磁力也会引起转子或定子产生共振，进而产生很大的电磁噪声。

发电机气隙偏心时，由于气隙磁导的周期性改变，又会在气隙磁场中附加一个谐波磁场，这也会引发电磁噪声。另外,磁路饱和等因素也会在电机气隙中产生附加磁场，产生附加电磁力，进而引发电磁噪声。

2.2 气动噪声

气动噪声是发电机的风扇引起的。由于发电机风扇产生气流的局部压力随时间变化十分迅速，进而使气流本身产生剧烈脉动，同时脉动气流与发电机风路内壁摩擦，进而形成气动噪声。

当风扇高速旋转时，风扇周围的空气质点由于受到扇叶周期力的作用而产生压力脉动，进而辐射出噪声。旋转噪声的频率f2与扇叶作用在质点上的周期力的频率相同，即

式中，Zb为扇叶数；nr为风扇转速；k=1，2，3……

如果气流在流动过程中遇到障碍物，由于流体粘滞力的作用，气流就会分裂成一系列的小气流，这种分裂会使气流压缩或者稀疏，从而产生绕动并辐射出噪声。涡流噪声的频率可以表示为：

式中，Sh为斯托哈系数，在0.14～0.20之间；v为气流与障碍物的相对速度；D为障碍物的正表面宽度在垂直于速度平面上的投影；i=1，2，3......

涡流噪声的频率取决于扇叶与气流的相对速度，而扇叶周围线速度是连续变化的，所以风扇扇叶产生的涡流噪声是宽频带的连续谱。

2.3 机械噪声

机械噪声的来源有很多，如发电机转子不平衡可引起较大的振动，轴承自身以及受其激励的发电机端盖的振动，电刷与换向器等接触而产生的摩擦振动，这些都会向外辐射噪声，另外还有其它类似的机械噪声源。其中转子不平衡又有3种情况，即静、动以及混合不平衡。引起转子不平衡的原因有很多[2]，例如转子材料的不均匀、通风冷却的不均匀，同轴度的生产制造偏差以及转轴的制造精度等也都会导致转子转动不平衡而产生机械噪声。轴承对精密度要求极高，滚珠或滚动元件的损坏以及零件的变形等都会产生噪声，甚至破坏电机的工作。早期故障可根据轴承噪声宽频特性进行诊断识别。电刷装置的振动噪声主要分为电刷的振动和电刷的摩擦噪声两类。

3 工程案例分析控制及目标控制

3.1 问题描述

对某车型在空挡怠速状态下进行踩/抬油门测试（怠速tip in/out测试）并进行主观评价时，发现发动机在800～2000r/min存在严重高频口哨声，严重影响车辆声品质。其发电机36阶电磁噪声频谱图和阶次图如图1所示，其中FLR为驾驶员右耳噪声。

对该车辆进行测试，发现该车在800～2 000 r/min出现口哨声是因为其存在明显的发动机93.6阶啸叫现象，该车型发电机传动比为2.6，发动机与发电机传动比值为36。根据测试结果，在800～2 000 r/min转速内，发电机36阶电磁噪声与总值差值低于15 dB（A），啸叫明显。

3.2 工程分析

为了查找故障发电机36阶电磁噪声超标的原因，将整车测试无啸叫的正常发电机转子和定子换装到故障发电机上。故障发电机更换转子与定子前、后的整车噪声测试结果如图2～图4所示。

根据图3和图4可知：

a.故障发电机更换成正常发电机转子后，整车怠速tip in/out测试时，发动机2 000 r/min以下车内发电机36阶电磁噪声水平与故障样件相当，无明显改变，主观评价有啸叫，声品质差。

b.故障发电机更换成正常发电机的定子后，整车怠速tip in/out测试时，发动机2 000 r/min以下发电机电磁噪声有明显降低，最大幅值降低20 dB，主观评价啸叫明显改善，声品质好。

通过对故障发电机更换定子和转子对比试验，可以发现定子的不同是造成发电机电磁噪声大小的根本原因。

3.3 电磁噪声关键点的控制

发电机定子的不同参数能够严重影响发电机的电磁噪声。为了查找故障发电机和正常电机定子的差异，对发电机的定子进行理论分析与计算，总结出发电机生产过程中和噪声有关的3个关键控制点，如表1所列。

表1 关键控制点

从对故障发电机定子的参数测试看，定子与端盖的同轴度超标，定子浸漆量偏小。定子与端盖的同轴度偏大，致使定子受磁场力波动加大；定子浸漆量偏小，会造成定子线圈紧固不牢，振动会加剧。以上两个原因导致故障发电机在满载加速工况下，发电机36阶电磁噪声超标，而单体电磁噪声超标的发电机在整车会存在口哨声。

根据分析，制作新的发电机样件。该样件发电机定子在生产过程中增加了定子线圈的浸漆量并优化定子与端盖的同轴度，将该样机进行整车验证，优化后发电机噪声频谱图如图5所示，优化前、后发电机36阶电磁噪声阶次对比如图6所示。

故障发电机定子增加浸漆量与优化同轴度后，整车怠速tip in/out测试时，发动机2 000 r/min以下车内发电机36阶电磁噪声明显低于故障发电机，主观评价优化后的发电机无啸叫，声品质好。

3.4 发电机电磁噪声目标控制

基于整车状态下的车内噪声测试结果，结合发电机的结构和NVH噪声机理，确定在整车状态下发电机的阶次噪声控制目标值，根据整车的阶次噪声目标控制值，将整车状态下发电机NVH问题分解到单体发电机NVH技术指标上，从而控制单体发电机NVH目标值。在项目开发早期，开展发电机样件的噪声验证工作，将目前在后期整车上开展的反复论证工作前移至对零部件验收工作中，以降低后期整车状态下发电机噪声论证的工作量。根据优化前、后的整车测试及主观评价结果制定出整车发电机电磁噪声目标控制线。图7为在整车状态下不同发电机36阶电磁噪声对比。

对整车测试后，再进行发电机台架单体噪声测试，制定出单体发电机电磁噪声目标控制线。图8为不同单体满载加速状态下36阶电磁噪声对比图。

4 结束语

论述了发电机噪声产生的机理，分析了某车型发电机产生啸叫现象的原因及工程控制的思路，探讨了发电机在整车与单体状态下噪声的相关性，得出以下结论:a.发电机的定子与端盖的同轴度、定子浸漆量、定子与端盖配合公差等参数是影响发电机电磁噪声的关键因素；

b.在本工程案例中，增加定子线圈的浸漆量并优化定子与端盖的同轴度可以降低电磁噪声20dB。

1 尚修敏.车用交流发电机电磁噪声仿真分析:[学位论文].成都:西南交通大学，2013.

2 惠颖男.车用交流发电机噪声测试及降噪方法研究:[学位论文].成都:西南交通大学，2011.

3 陈永校，诸自强，应善成.电动机噪声的分析与控制.杭州：浙江大学出版社，1987.

4 Zhu ZQ，Howe D.Instantaneous magnetic field distribution in brushless permanent magnet DC motors，Part II:Arma⁃ture-Reaction Field.IEEE,1993，29（1）:136～142.

5 Javadi H，Lefevre Y，Chenet S，etal.Electrio-magneto-me⁃chanical characterizations of the vibration of magnetic ori⁃ gin of electric machines.IEEE Transaction On Magnetics，1995，31（3）:1892～1895.

6 Belahcen A.用于同步发电机噪声分析的径向力计算.国外大电机，2000（2）：17～20.

7 Taegen F，Kolbe J，Verma SP.Vibration and noise pro⁃duced by special purpose permanent-magnet synchronous motors in variable frequency operation.Proceeding of 4thIEEE International Conference On Power Electronics and Drive Systems，2001（2）:583～588.

8 Jean.优化槽开口宽度以降低感应电动机的电磁噪声.国外大电机，2010（3）:30～35.

9 伍先俊，李志明.汽车电机噪声机理和降噪方法.微特电机，2003（1），14～16.

10 刘敏.汽车交流发电机噪声振动特性的试验研究:[学位论文].成都:西南交通大学，2010.

（责任编辑晨 曦）

修改稿收到日期为2015年4月29日。

Development and Control of Vehicle Alternator NVH Performance

Wang Wei,Zhang Jun,Zhou Weichao,Zhao Qin
（1.Changan Automotive Engineering Institute,Changan Automobile Co.,Ltd;2.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology）

This paper discusses the generation mechanism of vehicle alternator noise,and researches on squealing noise of vehicle alternator in the development of a passenger car.By unit level and vehicle level tests,we find the alternator squealing is caused by stator.Three critical control points related to alternator stator are summarized through theory analysis and calculation.The vehicle test with optimization of the control points shows that the squealing noise is eliminated,meanwhile alternator electromagnetic development objective system is established.

Passenger car,Alternator,Electromagnetic noise

乘用车 发电机 电磁噪声

U462.3

A

1000-3703（2015）05-0021-04