车用交流发电机整机的模态分析与试验研究

段 敏，郝 亮，李卫民，曹景胜

(辽宁工业大学，锦州 121001)



车用交流发电机整机的模态分析与试验研究

段 敏，郝 亮，李卫民，曹景胜

(辽宁工业大学，锦州 121001)

根据某一类型爪极发电机的基本尺寸，建立发电机的整机三维模型，并且利用Hyper Mesh软件对其进行网格划分，用有限元法对电机的整机模型进行模态分析，确定振型和固有频率，最终通过试验方式验证了仿真结果的正确性，以及电机的5阶模态对噪声和振动的贡献最大。由此建立了一整套较为完整分析流程，为进一步对同类别发电机电磁噪声问题研究奠定了一定基础，具有一定的工程应用价值。

爪极发电机；有限元法；模态分析；固有频率

0 引 言

随着生活水平的提高，人们对日常工作和学习的环境舒适性提出了更高的要求，发电机的电磁噪声作为影响车辆舒适性的主要噪声源之一，受到了研究人员的重视[1]。但是，电磁噪声问题较为复杂，它是定、转子之间的气隙磁密产生电磁力波，该力波的径向分量作用在定子上产生振动引起的[2]，通过研究电机的固有模态和频率来确定径向激振力和谐振频率对于有效预测抑制电机的电磁噪声具有重要意义。

本文利用CATIA建立优化的电机整机三维模型，导入HyperMesh网格划分软件中通过定义材料属性对三维模型进行网格划分，然后将其导入到ANSYS Workbench对车用电机整机进行模态分析，进而得到整机的模态阵型和固有频率，并与试验结果进行比较，结果表明电机整机的5阶模态产生了最大的噪声和振动，这对爪极电机的技术改进有一定的参考价值。

1 有限元分析的结构动力学简介

动力学分析作为确定结构动力学的一种技术手段，其分为两类，第一类是结构固有模态，它包括结构自身的的固有频率和对应阵型，第二类是属于动态过程，主要研究物体在外力作用下的结构响应，它包括位置的变化、结构的形变和受到的内力问题，这些量是随时间变化的[3-4]。本文对电机的整机分析采用的是第一类方式。

电机的动力学问题遵循的平衡方程[5]：

动力学分析适用于快速加载，冲击碰撞的情况，因为在这种条件下，不能忽略惯性力和阻尼的影响。如果结构静定，载荷速度较慢，则在计算动力学结果中，可以把它归类为静力学问题[6]。

电机的模态分析可归结为静力学问题，通过电机的模态分析可以有效地帮助电机设计人员在设计电机过程中避开电机的固有频率，从而避免了共振，并且还能帮助工程师预测不同加载下的结构振动。此外，借助模态分析可以估算其它动力学的参数，比如为了保证瞬态动力学响应的精度，通常会要求在结构上取不少于25个振动周期点，进而通过模态分析就可确定结构的自振周期，这可给设计人员对研究发电机的其它振动响应具有非常好的参考价值。

模态分析模态提取方法通常包括[7-10]：Block Lanczos, Subspace, PowerDynamics,Reduced ,Unsymmetric,Damped等。本文选用Blcok Lanczos法，这种方法和子空间法一样精确，但速度更快。无论EQSLV命令指定过何种求解器进行求解，Block Lanczos法都将自动采用稀疏矩阵方程求解器。在壳体单元和实体单元的分析中经常应用这种算法。

2 发电机整机模态分析

发电机的前后端盖通过紧固螺栓与定子紧密固定在一起，径向电磁力作用于定子时，会将这部分力传递给前后端盖，由于发电机前后端盖(外壳)刚度小、易变形，因此，为了研究定子对前后端盖的作用和对整机频率的影响，建立整机模型进行模态分析。

汽车发电机零件种类多、结构复杂，整流板、风扇等参数不确定，而这些零件对电机本身的模态影响较小，建模时候可忽略不计[11]。因此，仅需要建立发电机前端盖、定子、后端盖及整机的三维有限元整机模型，以表1作为CATIA建模的基础数据。

表1 爪极发电机的整机的基本参数

将CATIA建立三维电机模型导入HyperMesh中进行材料及属性的添加(可参考表2)，并完成网格的划分(如图1所示)，然后将其导入Workbench，对网格质量进行检查，对于没有划分小部分网格，如果出现计算错误，可通过sizing去单独定义这部分的网格大小，然后单独进行划分，完成整体网格划分。最后在转子及其它部分以以集中质点的方式施加载荷在整机上进行模态分析。

图1 整机模型图

表2 材料属性表

对模型进行求解，得出其各阶固有频率(见表3)和振型云图(见图2)。

表3 模态分析结果

(a)1阶振型(b)2阶振型(c)3阶振型

(d)4阶振型(e)5阶振型(f)6阶振型

图2 发电机整机各阶振型图

通过图2振型图可知，前端盖受到定子的影响较大，所以对于作用在定子上的电磁力，传递给前端盖远远大于后端盖。发电机在2阶、3阶、5阶的固有频率下，阵型较大，所以在电机设计过程中，尽量避免电磁力波的频率与这三阶的固有频率相近。

3 车用发电机的电磁振动测试试验与分析

3.1 电磁噪声试验

根据发电机研究人员的研究结果，转速和噪声频率的关系式：

(1)

式中：f为电磁噪声的频率；O为阶次；n为发电机转速；Z为定子齿数。

由式(1)可知，电磁噪声的频率与转速和阶次成正比，发电机在6 000 r/min运行时,电磁噪声为3 600 Hz，后续实验就是在半消声室中采集6 000 r/min发电机整机的振动和噪声，如果这个点是共振频率点，也对应着最大噪声频率点。

测点选择参考国内某电机制造公司五点法发电机噪声测试标准，在距离电机中心0.4 m处有5个测点(前、后、左、右和上测点)以及前端盖处加装加速度传感器作为第6个测点，应用DS0250 Throughout Disk对数据进行采集并存储至计算机进行有效分析。试验台架图片和测点布置如图3所示，整个测试系统的电路图搭建如图4所示。

图3 试验台架示意图

图4 车用交流发电机噪声试验电路图

3.2 电磁噪声结果与分析

3.2.1 36倍频电磁噪声存在性验证

电机在1 100～17 968 r/min下的噪声3D频谱图，如图5所示。

图5 发电机的噪声

图5中的亮色斜线所对应的数字分别表示电机噪声中的12倍频、16倍频、24倍频、30倍频、36倍频数，由此证实了36倍频噪声的存在。

3.2.2 电磁噪声试验结果分析

通过上面所搭建的试验装置对发电机整机做振动和噪声试验，让发电机在6 000 r/min稳定运行15 s，分别取14.86 s，14.88 s，14.90 s时刻3 600 Hz左右的振动幅值，并应用LMS Test.Lab对采集数据分析，从而得到如表4所示前端盖第6个测点振动达到峰值；同时也可得到6 000r/min左右负载时发电机的整机噪声(机械噪声、空气噪声和电磁噪声)试验结果。

表4 发电机前端盖振动位移的仿真与测试结果对比

由图6可知,发电机3 600 Hz产生的声压级最大。由上节仿真可知,发电机在2阶、3阶、5阶的固有频率下，振型较大，也就是此时36倍频电磁力的频率接近了发电机的5阶振型的固有频率值(3629.6Hz)，在共振点处振动和噪声级较高，这是产生电磁噪声主要成分，电机固有频率为3 629.6 Hz。

图6 发电机在6 000 r/min噪声

4 结 语

(1) 14 V/1 200 W型号的电机频率在3 629.6Hz附近时，此时电磁力波频率与电机固有频率相近，振动幅度达到最大，噪声级达到最大。有限元计算固有频率结果与试验结果非常吻合，证明有限元理论的高效性和正确性。

(2) 发电机电磁噪声中36倍频成分的电磁力波与发电机整体结构的固有频率一致，使发电机发生共振，而其它倍频对电磁噪声的影响较小。由36倍频噪声产生的原因可以得出，在电机设计中尽量避开电机整机第5阶振动频率来设计电机。

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Modal Analysis and Experiment Research of Generator for Vehicles

DUANMin,HAOLiang,LIWei-min,CAOJing-sheng

(Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China)

According to the basic size of some kind of claw-pole generator, a three-dimensional model of the generator was built and it imported into HyperMesh software in order to mesh grid in the paper.Finite element method was used to make modal analysis in order to determine vibration mode and calculate the natural frequency.Finally, correctness of the simulation results and the 5th order modal of the most of contribution to the noise and vibration of generator are proved in experiment.So a set of relatively complete analysis process lays certain foundation to further research electromagnetic noise of generator in the same category and has certain engineering application value.

claw-pole generator; finite element method; modal analysis; natural frequency

2016-05-03

辽宁省科技攻关项目(2013220022)

TM35

A

1004-7018(2016)09-0023-03

段敏(1963-)，教授，研究方向为车辆系统动力学及控制、电动汽车关键技术。