汽車發(fā)電機定子建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

賀巖松，張 浩，張全周

(1.機械傳動國家重點實驗室(重慶大學)，重慶 400044； 2.重慶大學，重慶 400044)

汽車發(fā)電機定子建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

賀巖松1,2，張 浩2，張全周2

(1.機械傳動國家重點實驗室(重慶大學)，重慶 400044； 2.重慶大學，重慶 400044)

通過振動噪聲臺架測試，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機在中低轉(zhuǎn)速下的36階次電磁噪聲問題突出。因此，定子結(jié)構(gòu)的準確建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化是電磁振動噪聲分析和控制的基礎(chǔ)。首先對汽車發(fā)電機的定子進行自由模態(tài)試驗，得到模態(tài)參數(shù)。建立定子沖片的整體式鐵心模型后，采用等效法對線圈進行簡化并建立4組定子模型。利用ANSYS軟件對所建立的模型進行模態(tài)仿真，對比試驗結(jié)果確定了定子的建模方法。模態(tài)結(jié)果和噪聲試驗顯示，36階次電磁噪聲是由定子的共振導(dǎo)致。對定子鐵心模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)果表明，定子的模態(tài)特性得到了有效的改善。

發(fā)電機定子；模態(tài)分析；模態(tài)試驗；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引 言

汽車交流發(fā)電機的振動噪聲嚴重影響整車的NVH性能，是各汽車廠家的研究熱點。汽車交流發(fā)電機振動噪聲主要包括機械振動噪聲、電磁振動噪聲、空氣振動噪聲三大類[1]。

對于機械振動噪聲，目前都能通過精度和工藝的控制解決，且機械振動噪聲所占比例很小[2]?？諝庹駝釉肼曉诓捎貌坏裙?jié)距葉片結(jié)構(gòu)等措施得到有效控制[3]。電磁噪聲是電磁徑向力波與定子固有頻率接近時，引起共振，使振動噪聲增強[4]。定子的結(jié)構(gòu)模態(tài)研究是電磁振動噪聲控制的重要研究方向。

在對發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)研究時，定子的建模是結(jié)構(gòu)分析前提和難點。針對上述問題，目前主要采用將硅鋼片疊加的鐵心和銅線纏繞的線圈進行簡化處理。文獻[5]在研究電機模態(tài)時將定子繞組等效為空心圓柱體,密度則按繞線與氣隙的比例來確定，其有限元分析結(jié)果與敲擊實驗結(jié)果吻合較好。文獻[6]在研究電動機定子模態(tài)時，利用ANSYS較準確地計算了定子的模態(tài)振型和固有頻率。文獻[7]采用多種有限元模型研究了異步電機定子的固有模態(tài)，并與試驗結(jié)果做了比較，得到比較好的簡化模型。文獻[8]分析了繞組對電機定子沖片模態(tài)的影響。但是，對于汽車發(fā)電機定子的建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究很少。

本文通過發(fā)電機振動噪聲臺架試驗發(fā)現(xiàn)定子的共振產(chǎn)生了較大的峰值噪聲，定子的建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化成了亟待解決的問題。針對對發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)的建模難點，利用等效法建立定子簡化模型。對模態(tài)仿真和模態(tài)試驗結(jié)果進行對比，驗證了建模的準確性和可靠性。對定子進行了結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計，有效地提升了模態(tài)特性，為發(fā)電機的電磁振動噪聲分析奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 發(fā)電機振動噪聲試驗

1.1 發(fā)電機振動噪聲臺架測試

發(fā)電機振動噪聲臺架試驗在某知名汽車公司的發(fā)電機噪聲測試實驗室(按照國家標準搭建)完成[9]。該實驗室主要包括半消聲室、發(fā)電機驅(qū)動試驗臺、噪聲數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。試驗時，如圖1所示，在發(fā)電機前、后、左、右和上方5個距發(fā)電機中心均為0.5 m處來布置傳聲器。

圖1 汽車發(fā)電機噪聲試驗臺架

目前汽車車發(fā)電機臺架試驗包含空載工況與負載工況，采用升速法測試發(fā)電機在兩種工況下時2 000～15 000 r/min范圍內(nèi)的噪聲數(shù)據(jù)。

1.2 發(fā)電機噪聲結(jié)果分析

對試驗數(shù)據(jù)進行處理可以得到該型發(fā)電機在空載工況和負載工況下的噪聲聲功率級-轉(zhuǎn)速曲線，如圖2所示(A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)下)。

圖2 空載和負載工況下的噪聲聲功率級-轉(zhuǎn)速曲線

試驗結(jié)果表明，兩種工況下發(fā)電噪聲聲功率級均隨轉(zhuǎn)速增加而上升，但在中低轉(zhuǎn)速(2 000～4 500 r/min)范圍內(nèi)，同轉(zhuǎn)速下負載工況的聲功率級高于空載工況的聲功率，說明電磁噪聲是中低轉(zhuǎn)速下的主要成分。負載工況下，2 500 r/min(A點)和4 350 r/min(B點)處出現(xiàn)了兩個明顯的峰值，聲功率級也達到了71.8 dB和83.5 dB。中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，定子振動產(chǎn)生的電磁噪聲嚴重影響發(fā)電機的NVH性能。

階次分析可用于分析轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)機械以避免頻譜上的“頻率混疊”[10]。對中低轉(zhuǎn)速段(2 000～4 500 r/min)負載工況下的發(fā)電機噪聲數(shù)據(jù)進行階次分析，如圖3所示。

汽車發(fā)電機的電磁噪聲的頻率可表示：

式中：i為諧波次數(shù)；n為轉(zhuǎn)速。

在中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，36階次噪聲為該發(fā)電機電磁噪聲的主要成分。電磁噪聲主要是定子振動所產(chǎn)生的，因此定子結(jié)構(gòu)研究是電磁噪聲控制的重點方向。

圖3 發(fā)電機中低轉(zhuǎn)速的噪聲頻譜圖(截圖)

2 發(fā)電機定子模態(tài)試驗

試驗時，采用足夠軟和長的繩(固有頻率足夠低)懸掛被測零部件來盡可能地模擬定子的自由狀態(tài)。發(fā)電機定子懸掛圖如圖4所示。

圖4 定子模態(tài)試驗懸掛圖

在定子上選取18個測點來模擬定子輪廓。采用力錘和加速度計來采集激勵力信號和加速度信號，并進行頻響函數(shù)估計,就可得到固有頻率。計算機和LMS數(shù)據(jù)采集器如圖5所示。

圖5 計算機和數(shù)據(jù)采集器

在采用錘擊法模態(tài)試驗過程中，按照固定傳感器和移動力錘的方式進行，依次敲擊每個測試點，每個測點敲擊3次進行平均，以減少隨機誤差[11]。試驗利用LMS模態(tài)分析模塊對試驗數(shù)據(jù)進行處理后得到模態(tài)結(jié)果。定子的模態(tài)試驗頻率如表1所示，只分析3 000 Hz以內(nèi)。定子的第一階、二階和三階振型分別是橢圓、三角形和四邊形振型。

表1 定子自由模態(tài)試驗結(jié)果

3 發(fā)電機定子自由模態(tài)仿真

3.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是用來計算結(jié)構(gòu)振動特性(一般是固有頻率和振型)。無阻尼模態(tài)分析，具有n自由度的無阻尼振動系統(tǒng)的振動微分方程[12]：

自由振動時，即f(t)=0時，有方程：

式(2)的解：

將式(3)左乘{φ}T得到：

3.2 發(fā)電機定子建模

汽車發(fā)電機定子是由硅鋼片疊加的鐵心和銅線纏繞的繞組組成，如圖4所示。

建立準確的定子模型是定子結(jié)構(gòu)分析的難點?？紤]到鐵心的結(jié)構(gòu)形式，建模若采用多層模型疊加結(jié)構(gòu)顯得太過復(fù)雜。文獻[5]和文獻[6]驗證了采用整體式模型來代替疊壓式模型是可行的。因此，本文也采用整體式鐵心模型。繞組在結(jié)構(gòu)上具有很大的不規(guī)則性，難以按照實際結(jié)構(gòu)來建模，可采用等效法來簡化模型。文獻[13]采用空心圓柱體來等效線圈時，需要結(jié)合模態(tài)試驗與仿真計算來確定等效后的密度、彈性模量和泊松比,此過程在材料參數(shù)確定時有一定盲目性。為此，本文在直接使用設(shè)計時所用材料參數(shù)的基礎(chǔ)上進行建模，建立的36槽鐵心模型如圖6所示。

圖6 發(fā)電機定子鐵心模型

線圈建模根據(jù)的銅線纏繞后的主體輪廓進行簡化。在ANSYS中計算時，鐵心和線圈為bond接觸，因此線圈和鐵心的接觸面積需合理控制來保證模型的剛度和實際接近。本文根據(jù)線圈結(jié)構(gòu)設(shè)置了4組對比模型，如圖7所示。

圖7 4種定子簡化模型

3.3 發(fā)電機定子模態(tài)仿真

定子鐵心的彈性模量和泊松比分別為1.95×1011Pa和0.26，線圈的彈性模量和泊松比分別為1.5×1010Pa和0.32。鐵心和線圈的網(wǎng)格大小設(shè)置均為2 mm。在ANSYS中計算完成后，定子的四種模型的自由模態(tài)仿真頻率表2所示。

表2 四種定子模型模態(tài)仿真頻率

四種定子模型的的前三階模態(tài)振型均為橢圓振型、三角形陣型和四邊形振型，如圖8所示。

圖8 四種模型的模態(tài)振型圖

4種定子模型的前三階頻率偏差(按Δ=[(f仿真-f試驗)/f試驗]×100%)計算如表3所示。

表3 模態(tài)仿真頻率和試驗頻率偏差

結(jié)果顯示，模型4的偏差超過5%，模型3前一、二階頻率的偏差較模型1和2差，效果均不好。雖模型1在一階的偏差大于模型2，但在二、三階頻率時偏差明顯小于模型2，且一階頻率偏差非常小，能較好地滿足工程要求。因此，采用模型1的建模方法來建立定子模型是可行的。

按式(1)計算的峰值A(chǔ),B處的36階次噪聲頻率與定子的二、三階頻率如表4所示，兩者非常接近，說明定子在1 500 Hz和2 610 Hz附近產(chǎn)生了共振，從而輻射了較大的電磁噪聲。定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化是發(fā)電機電磁噪聲控制的重點研究方向。

表4 定子模態(tài)試驗結(jié)果

4 發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

發(fā)電機電磁振動噪聲主要來源于定子固有頻率和電磁力頻率接近時的共振，因此定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計使固有頻率提升具有重要意義。線圈的結(jié)構(gòu)和功能使得線圈改動難以實施，故可從鐵心結(jié)構(gòu)來進行優(yōu)化。本文從增加定子鐵心剛度的角度來進行優(yōu)化，綜合考慮電磁性能、加工制造等因素后，優(yōu)化設(shè)計了如圖9所示的鐵心結(jié)構(gòu)。

圖9 改進后的定子鐵心模型

將改進前后的鐵心模型分別進行自由模態(tài)仿真計算，得到模態(tài)頻率結(jié)果如表5所示。

表5 改進前后鐵心模型模態(tài)頻率

改進后定子鐵心的頻率提升較多，對于避免發(fā)電機定子的共振具有較好的效果。改進前后的鐵心的模態(tài)振型如圖10所示，二者無差別。

圖10 改進前后鐵心模態(tài)振型

加入線圈模型，對改進后的定子進行模態(tài)仿真計算(材料參數(shù)不變)。改進前后的定子固有頻率如表6所示，模態(tài)頻率有較好的提升效果。

表6 改進前后定子模態(tài)仿真頻率

改進后的定子振型圖如圖11所示，與改進前的模態(tài)振型基本一致。改進后的定子在頻率上提升明顯，對避開定子共振，降低振動噪聲具有重要意義。

圖11 改進后定子的模態(tài)振型

5 結(jié) 語

本文通過發(fā)電機振動噪聲試驗，發(fā)現(xiàn)電磁振動噪聲是中低轉(zhuǎn)速下的主要成分。建立了4種定子等效模型。結(jié)合模態(tài)試驗和模態(tài)仿真確定了最吻合實際的模型，確定了定子模型的建立方法，為電機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析提供了基礎(chǔ)。

模態(tài)試驗和仿真顯示，定子在固有頻率附近發(fā)生共振，進而輻射出較大的36階次電磁噪聲。對鐵心模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，定子的模態(tài)頻率得到了明顯提高，對避免定子共振有一定效果。由于條件限制，本文未能完成改進后的噪聲測試。發(fā)電機定子的建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化對電磁振動噪聲分析和控制奠定基礎(chǔ)，具有有一定的參考價值。

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Modeling and Structure Optimization of Vehicle Alternator Stator

HEYan-song1,2，ZHANGHao2，ZHANGQuan-zhou2

(1.State Key Laboratory of Mechanical Transmission(Chongqing University), Chongqing 400030,China;2.Chongqing University, Chongqing 400030,China)

Vibration and noise test was done in specifically designed lab，which shows 36 order electromagnetic noise is a significant component of the noise of vehicle generator at middle and low speed. While an accurate simulation model and modals is the prerequisite for electromagnetics, structural harmonics and acoustics coupled simulation. Modal characteristics was obtained from modal test based on a type of a stator of vehicle generator. the stator core structure were established according to size of stator punching sheet，and established four simplified models according to the structure of coils and stator core. The computational results by means of the finite element software ANSYS were compared with the experimental results，then the most realistic model was selected. The 36 order electromagnetic noise comes from stator vibration according to results of experiment and simulation.Structure optimization was completed and the results show the stator's modal characteristics were effectively improved.

generator stator; modal analysis; modal test; structure optimization

2016-02-19

重慶市基礎(chǔ)與前沿計劃項目(CSTC2015jcyjBX0075)

TM34

A

1004-7018(2017)03-0013-04

賀巖松(1968-)，男，工學博士，教授，主要從事車輛系統(tǒng)動力學與控制、噪聲與振動控制、智能材料本構(gòu)關(guān)系等方面的教學與研究工作。