基于汽車低轉(zhuǎn)速區(qū)間發(fā)電機(jī)電磁噪音優(yōu)化

鄭 妍，易遠(yuǎn)程，劉鳴洲

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201804）

汽車噪音性能是整車性能中最重要的部分之一,直接影響駕駛?cè)撕统丝蛯?duì)整車品質(zhì)的主觀感受，所以汽車的噪音問(wèn)題是國(guó)際汽車業(yè)各大整車制造企業(yè)和零部件企業(yè)最關(guān)注的問(wèn)題之一。然而，為了滿足日益增長(zhǎng)的汽車電子電器等負(fù)載的需要，汽車發(fā)電機(jī)的功率和效率也在不斷提升。根據(jù)汽車發(fā)電機(jī)的工作原理，功率和效率的提高意味著發(fā)電機(jī)的電磁噪音變得越發(fā)明顯。汽車交流發(fā)電機(jī)的電磁噪音進(jìn)行分析與優(yōu)化，不僅影響到汽車的舒適性，也會(huì)涉及燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性，對(duì)其分析與優(yōu)化是當(dāng)前一項(xiàng)重要課題。本文對(duì)汽車開發(fā)階段噪音測(cè)試數(shù)據(jù)，運(yùn)用階次分析方法，進(jìn)而針對(duì)汽車發(fā)電機(jī)電磁噪音產(chǎn)生機(jī)理提出電磁噪音優(yōu)化方案，使發(fā)電機(jī)的電磁噪音在低轉(zhuǎn)速區(qū)間聲壓降到20 dB以下。

1 汽車發(fā)電機(jī)噪音特點(diǎn)

為了給駕乘者提供上乘的駕駛感受，某國(guó)際汽車制造企業(yè)采用實(shí)車測(cè)試方式評(píng)價(jià)汽車發(fā)電機(jī)噪音對(duì)駕乘人員乘坐舒適性的影響。這種實(shí)車測(cè)試主要是將汽車停在消聲室或空曠的地方，在駕駛艙內(nèi)不同位置布置聲音采集器。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)40 min后，汽車置于空擋，在每一種負(fù)載下，測(cè)試人員按照要求依次測(cè)試不同轉(zhuǎn)速評(píng)測(cè)發(fā)電機(jī)噪音情況。數(shù)據(jù)表明發(fā)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)間 （發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為750～1800 r／min，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1750～4300 r／min）噪音最明顯，其發(fā)出的嘯叫聲極易引起客戶的抱怨。這種嘯叫聲絕對(duì)需要優(yōu)化到可接受的范圍。

圖1 發(fā)電機(jī)36階聲壓級(jí)-轉(zhuǎn)速曲線

2 發(fā)電機(jī)電磁噪音分析

通過(guò)對(duì)采集到的聲壓級(jí)-轉(zhuǎn)速曲線分析，低轉(zhuǎn)速區(qū)間采集到的噪音也就是整車上三相36槽結(jié)構(gòu)的交流發(fā)電機(jī)發(fā)出電磁噪音。原因在于電磁力波的頻率會(huì)隨轉(zhuǎn)速變化而變化，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)36階次的電磁噪音，當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到某一特定轉(zhuǎn)速，與發(fā)電機(jī)的固有頻率發(fā)生重疊時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，該噪音會(huì)進(jìn)一步放大，而當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，越過(guò)共振點(diǎn)后，電磁噪音又馬上減小 （圖1）。而發(fā)電機(jī)的固有頻率剛好落在整車怠速區(qū)間，這就使得這個(gè)電磁噪音異常明顯，使駕乘者主觀感受很差。

發(fā)電機(jī)電磁噪音是由于電磁力在定、轉(zhuǎn)子間隙中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波或脈動(dòng)力波，使定子產(chǎn)生振動(dòng)而輻射噪聲 （圖2）。它與電機(jī)氣隙內(nèi)的諧波磁場(chǎng)及由此產(chǎn)生的電磁力波幅值、頻率和級(jí)數(shù)以及定子本身的振動(dòng)特性，如固有頻率、阻尼、機(jī)械阻抗均有密切的關(guān)系，還與發(fā)電機(jī)的定子聲學(xué)特性有很大關(guān)系。

圖2 輻射噪聲示意圖

3 優(yōu)化方案及測(cè)試結(jié)果

發(fā)電機(jī)噪音主要由設(shè)計(jì)的電氣參數(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)及裝配工藝決定。影響發(fā)電機(jī)電磁噪音的因素很多，優(yōu)化低轉(zhuǎn)速區(qū)間的電磁噪音，主要是需要降低36階次的噪音，通過(guò)不斷地仿真，實(shí)車測(cè)試，有以下幾種措施值得推薦：①在設(shè)計(jì)上對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行優(yōu)化；②通過(guò)加筋等方式提高部件的剛度；③通過(guò)增加阻尼降低發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射的噪音；④在生產(chǎn)工藝上進(jìn)行控制，嚴(yán)格控制公差。

3.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子爪極倒角優(yōu)化

轉(zhuǎn)子爪極倒角幾乎不會(huì)降低發(fā)電機(jī)的輸出性能，卻能大幅削弱主要電磁力諧波的幅值，從而降低電磁振動(dòng)。計(jì)算得出不同的倒角方案，再通過(guò)仿真的方法選出效果最好的方案制樣 （圖3）。

圖3 各倒角下的電磁力矩仿真值

優(yōu)化后New chamfer 02的爪極測(cè)試結(jié)果，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下可以降低2～3 dB （圖4）。

3.2 通過(guò)加筋等方式提高部件的剛度。

其一，通過(guò)調(diào)整爪極熱處理工序，優(yōu)化爪極剛度。增加爪極剛度，減少爪極震顫幅度以減低發(fā)電機(jī)噪聲 （圖5）。

優(yōu)化后產(chǎn)品從結(jié)果可以看出此措施可以削弱電磁噪音在低轉(zhuǎn)速的波峰 （圖6）。

圖4 爪極倒角優(yōu)化結(jié)果

圖5 加強(qiáng)爪極剛度

圖6 加強(qiáng)爪極剛度數(shù)據(jù)

其二，優(yōu)化定子硅鋼片的厚度和材料。發(fā)電機(jī)定子鐵心是由硅鋼片疊裝而成，會(huì)在電磁力的作用下在各組薄片之間產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)的頻率范圍在人的聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)，就會(huì)產(chǎn)生電磁噪音。將目前發(fā)電機(jī)的硅鋼片的厚度降低0.15 mm，同時(shí)增加定子鐵心熱處理工序，加強(qiáng)硅鋼片的剛度。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，電磁噪音有積極的改善。

3.3 在生產(chǎn)工藝上進(jìn)行控制

研究表明定轉(zhuǎn)子電磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的電磁力的大小與磁通密度正相關(guān)，而磁通密度是由定轉(zhuǎn)子的空隙大小決定：

式中：Fmag——電磁力；d——定轉(zhuǎn)子間空隙。

如果定轉(zhuǎn)子間的空隙不均勻，就會(huì)導(dǎo)致電磁力大小變化因而激發(fā)電機(jī)本體的振動(dòng)加劇，將噪音變大。為了減小定轉(zhuǎn)子空隙不均勻，決定定子的配合公差從 （+0.05+0.13）降到 （+0.05+0.09），調(diào)整定轉(zhuǎn)子的同心度以使空隙均勻，從而降低電磁力脈動(dòng)噪音 （圖7）。

圖7 定轉(zhuǎn)子配合公差優(yōu)化

通過(guò)控制配合公差，可以對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁噪音有積極的作用，測(cè)試結(jié)果如下 （圖8）。

圖8 控制配合公差效果

3.4 定子優(yōu)化

增加定子的槽數(shù)。根據(jù)推導(dǎo)可知，當(dāng)極對(duì)數(shù)不變，而改變發(fā)電機(jī)相數(shù)，即從36槽3相電機(jī)更改為72槽6相電機(jī)后，原有的36階電磁力的頻率被放大2倍 （6×12=72階）。而電機(jī)因?yàn)檎w結(jié)構(gòu)與質(zhì)量沒(méi)有本質(zhì)的改變，因此其固有的模態(tài)頻率也沒(méi)有較大改變。這樣，作為激勵(lì)源的電磁力的模態(tài)避開了電機(jī)中低頻的固有頻率，使在怠速階段發(fā)電機(jī)電磁噪音改善明顯 （圖9）。

考慮成本因素方面，各個(gè)措施的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)比采用提高工藝裝配降低定轉(zhuǎn)子的配合公差，控制定轉(zhuǎn)子的同心度，同時(shí)優(yōu)化爪極倒角的組合優(yōu)化方法（組合優(yōu)化需要根據(jù)發(fā)電機(jī)電磁噪音優(yōu)化幅度而定）。這樣的組合方式不僅可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)間電磁噪音，還不影響發(fā)電機(jī)輸出效率，相比其他方式，優(yōu)化成本低。優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)噪音數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖9 3相36槽與6相72槽36階噪音對(duì)比

表1 優(yōu)化措施對(duì)比

圖10 優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)噪音數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

相比汽車發(fā)電機(jī)零部件供應(yīng)商的臺(tái)架測(cè)試，主機(jī)廠更多是以整車發(fā)電機(jī)噪音表現(xiàn)為判斷依據(jù)?？紤]到發(fā)電機(jī)電磁噪音是一個(gè)系統(tǒng)性的問(wèn)題，往往發(fā)電機(jī)在臺(tái)架上表現(xiàn)不錯(cuò)，但裝到整車上發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)間電磁噪音明顯，這是由于整車的振動(dòng)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電磁噪音被放大。同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)本身的噪音比較平穩(wěn)，所以發(fā)電機(jī)的嘯叫聲即電磁噪音極易被客戶察覺(jué)并感不適。本文通過(guò)理論分析，提出相關(guān)優(yōu)化措施并實(shí)車驗(yàn)證，再根據(jù)分析結(jié)果，控制發(fā)電機(jī)電磁噪音在20 dB以下，對(duì)汽車制造企業(yè)控制發(fā)電機(jī)電磁噪音具有借鑒意義。