车用发电机36阶次噪声来源的试验研究

刘 星，闫 兵,张胜杰，唐 琴

(1.四川航天职业技术学院，广汉 618300；2.西南交通大学，成都 610031； 3.成都华川电装有限责任公司，成都 610106)



车用发电机36阶次噪声来源的试验研究

刘 星1,2，闫 兵2,张胜杰3，唐 琴3

(1.四川航天职业技术学院，广汉 618300；2.西南交通大学，成都 610031； 3.成都华川电装有限责任公司，成都 610106)

为了确定车用发电机在低速段36阶次噪声来源，采用不同的励磁方式对发电机噪声进行测试分析。结果表明，36阶次噪声不是电枢噪声，而是电磁噪声，其对发电机总声压级贡献最大，并随着转速上升而增大，励磁电压的减小而降低。该研究工作确定了36阶次噪声的来源，为下一步电机噪声控制指明了方向。

声学；发电机；36阶次噪声；励磁电压；噪声测试

0 引 言

汽车发电机噪声一般具有特定的阶次，很容易产生一种刺耳的主要由单频或较少频率成分组成的啸叫声，令车上乘员感到不适[1]。所以在对车辆乘用舒适性要求越来越高的今天，发电机NVH性能研究也受到相关研究机构和生产厂家的重视。

发电机在正常运转状态下，主要噪声为机械噪声、气动噪声和电磁噪声3大类，其中电磁噪声在发电机低速段对噪声起主导作用[2-3]。有不少文献对发电机电磁噪声进行研究，指出电磁噪声主要是由电磁力引起的结构共振而辐射噪声，表现为36阶次形式[4-6]。但是由于其特殊结构，噪声的测量都在负载情况下进行，单说36阶次噪声是电磁噪声还不够准确，还有可能是定子电枢绕组通过交变的电流后洛伦兹力[7]引起结构振动后辐射的噪声(以下简称电枢噪声)。本文针对这一问题，采用自励和他励两种不同的励磁方式对发电机进行噪声测试，准确判断了36阶次噪声类型，并讨论了励磁电压对36阶次噪声的影响规律，对下一步电机降噪具有很好的指导意义。

1 发电机噪声特性试验

本次试验使用成都华川电装有限责任公司供某车型的交流发电机进行噪声测试分析，麦克风为丹麦G.R.A.S.公司生产，转速传感器为基恩士公司提供，数据采集采用德国Head Acoustics的DIC24采集卡完成多路信号采集，采集到的信号通过软件Artemis进行结果分析处理，可调直流电源为杰创电子测控科技有限公司生产，其电压负载稳定性小于0.1 V。

实验在西南交通大学汽车工程研究所的电机声功率测试实验室[8]内整机状态下进行，该实验室的声学环境已达到标准GB/T6882—2008的要求[9]。分别在空载工况下、负载(自励)工况下、外部供励磁电压(他励)工况下进行测试。分别选择距发电机中心0.5 m处的前、后、左、右、上5个测点进行声压测试 ，如图1所示。

图1 试验台架示意图

定义待测点声压的有效值为pe，则声压级Lp定义：

(1)

式中:pref为参考正体声压，取2×10-5Pa，这个数值是正常人耳对1kHz声音的可听阈声压。

再根据能量叠加原理，可得到声压级的平均值Lpm：

(2)

式中:Lpi(i=1,2,...,m)为第i个测点测得的声压级，m为测点总数。本实验中，m=5，所使用的声压级均为A声级。

2 发电机噪声阶次分析

旋转机械的噪声信号中多数离散频率分量都与主旋转频率有关，以参考轴的转速为基本转速，所对应的基本频率(基频)定义为阶次1，其他与转速相关的频率为基本频率的N倍信号则定义为N阶次，分析信号中阶次能量即为阶次分析(又称阶比分析)。阶次与转速的关系可表示：

(3)

式中:f为信号频率；O为阶次；n为参考轴转速(r/min)。阶次分析实质上是将等时间间隔的信号转换成等角度间隔的信号，再对其进行频谱分析的一种信号处理方法。本文后续分析都采用阶次分析方法，得到发电机的噪声特性。

如图2所示，在空载工况下，随着转速的增加，发电机总噪声声压级增大，6阶次、12阶次、18阶次、36阶次等主要阶次与总噪声相差都在10 dB以上。但在负载工况下，36阶次噪声远远大于6阶次、12阶次、18阶次，与总噪声变化趋势几乎一样，如图3所示，在一些峰值点，其声压级相差只在1 dB左右，相比其他阶次，36阶次噪声对总噪声贡献最大。如图4所示，在负载工况下，36阶次噪声大于在空载工况下36阶次噪声，这说明36阶次噪声是加负载后引起的。

图2 空载工况主要阶次声压级对比图3 负载工况主要阶次声压级对比

图4 负载和空载36阶次声压级对比

3 发电机36阶次噪声分析

3.1 励磁电压测量

为了降低负载工况下36阶次噪声对总噪声的影响，就必须清楚36阶次噪声究竟是电磁噪声还是电枢噪声，这就有必要对发电机励磁电压进行测量。负载工况下，原动机拖动发电机加速上升，记录转速与励磁电压数据，分析结果如图5所示。励磁绕组端电压随转速成上升趋势，但增幅不大，在2 500 r/min附近趋于稳定，其平均电压在12.5 V左右。

图5 负载工况励磁绕组端电压与转速关系曲线

3.2 36阶次噪声类型分析

断开负载，采用外部直流电源给励磁绕组提供12.5 V恒定电压，如图6所示，对发电机噪声进行测试。噪声分析结果如图7所示，36阶次噪声在自励和他励工况下基本一致。这说明36阶次噪声是由于励磁绕组通电后，转子与定子之间周期的交变磁拉力引起结构振动而辐射的电磁噪声；并非在负载下，定子中的电枢绕组通电后洛伦兹力引起结构振动而辐射的电枢噪声。在2 500 r/min以下，他励36阶次电磁噪声比自励大；而在2 500 r/min以上，他励36阶次电磁噪声比自励小，这是因为在自励工况下，励磁绕组端电压在2 500 r/min以下比12.5 V低，在2 500 r/min以上比12.5 V高的缘故(如图5所示)。

图6 他励工况噪声测试图图7 自励和他励工况36阶次噪声对比

3.3 励磁电压对36阶次噪声的影响

采用直流电源给励磁绕组分别提供12 V、11 V和10 V电压，分析结果如图8所示，36阶次电磁噪

图8 不同励磁电压36阶次噪声对比

看出，随着转速的增加，36阶次电磁噪声声压级成增大趋势，且波动较大。因此，在满足发电量的前提下，减小发电机励磁电压可有效降低36阶次电磁噪声。

4 结 语

采用不同的励磁方式对车用发电机36阶次噪声进行了试验研究，从试验结果可知，在低速负载工况下，36阶次噪声不是电枢噪声，而是电磁噪声，对发电机总声压级贡献最大，并随着转速上升而增大，励磁电压的降低而减小。本文研究工作确定了36阶次噪声的来源，为下一步电机噪声控制指明了方向。

[1] 徐亚维，葛长发.汽车用交流发电机噪声浅析[J].汽车电器，1994(3):5-8.

[2] YANG S J.Low-noise electrical motors[M].Oxford：Clarendon Press，1981.

[3] 伍先俊，李志明.汽车电机噪声机理和降噪方法[J].微特电机，2003，31(1):14-16.

[4] 刘敏，董大伟，闫兵,等.车用交流发电机噪声特性及噪声源测试分析[J]. 重庆理工大学学报(自然科学版)，2010，24(6):13-17.

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

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

[7] 王群京，倪有源，李国丽.爪极电机的结构、理论及应用[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2006：150-151.

[8] 中国测试技术研究院.西南交通大学汽车电机声功率测试实验室检测报告201011000377.[R].2010.

[9] 辛阳，董大伟，闫兵,等.汽车用发电机NVH性能测试声学实验室设计及鉴定[J].噪声与振动控制，2012(3):146-151.

Experiment Study on the Source of 36 Order Noise of an Automotive Alternator

LIUXing1,2,YANBing2,ZHANGSheng-jie3,TANGQin3

(1.Sichuan Aerospace Vocational Polytechnic,Guanghan 618300,China;2.Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；3.Chengdu Huachuan Electric Parts Co., Ltd.，Chengdu 610106，China)

In order to determine the source of 36 order noise of an automotive alternator at low speed, using different excitation modes were used to test and analyze for alternator noise. The results show that 36 order noise is not the armature noise, but the electromagnetic noise, which is the largest contribution to the total sound pressure, and rises as the speed increases, reducing the excitation voltage is reduced. The study identifies the source of 36 order noise and specifies the direction for further alternator noise control.

acoustics; alternator; 36 order noise; excitation voltage; noise test

2014-03-10

TM34

A

1004-7018(2016)06-0035-02

刘星(1987-)，男，助教，研究方向为车辆故障诊断、噪声与振动控制。