車用發(fā)電機(jī)降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)

田素琴，謝佳茵，董芳余，林 琳

車用發(fā)電機(jī)降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)

田素琴，謝佳茵*，董芳余，林 琳

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧錦州 121001）

文章使用靜音室對(duì)某型車用交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，并通過LMS軟件進(jìn)行后期分析，找到影響噪聲的關(guān)鍵階次點(diǎn)為36階次。針對(duì)該階次點(diǎn)制定試驗(yàn)方案并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)是產(chǎn)生噪聲的主要原因，通過分析找到影響該階次噪聲的成因部件。參考以往的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將優(yōu)化后發(fā)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終得以改善。

發(fā)電機(jī)；噪聲測(cè)試；階次分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車行業(yè)經(jīng)過百年發(fā)展，噪聲問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。有研究發(fā)現(xiàn)，汽車發(fā)電機(jī)在起步、怠速和停止時(shí)，偶爾會(huì)發(fā)出高頻、刺耳的噪聲，嚴(yán)重影響了車內(nèi)的舒適性[1]。同時(shí)，隨著車用發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)電機(jī)噪聲控制變得更加嚴(yán)格，特別是在發(fā)電機(jī)本身以及高端市場中，不僅要求總聲級(jí)達(dá)標(biāo)，單一諧次分量同樣需要控制。為此，分析車用發(fā)電機(jī)的噪聲成因、完成產(chǎn)品的降噪優(yōu)化，是現(xiàn)有發(fā)電機(jī)企業(yè)必需解決的問題。本文以某企業(yè)車用發(fā)電機(jī)產(chǎn)品為例，尤其針對(duì)其低速時(shí)噪聲超標(biāo)問題，提出降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品品質(zhì)及汽車駕乘舒適性，起到了重要的理論意義和工程實(shí)用意義。

1 車用發(fā)電機(jī)噪聲測(cè)試試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過臺(tái)架試驗(yàn)，采集車用發(fā)電機(jī)噪聲數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行階次分析。同時(shí)，在噪聲特性分析基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)部件加以整改，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)降噪。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象

選取某企業(yè)的電磁式有刷內(nèi)置雙風(fēng)扇車用交流發(fā)電機(jī)為測(cè)試對(duì)象。據(jù)主機(jī)廠反饋，該配套發(fā)電機(jī)在起動(dòng)瞬間產(chǎn)生人耳可辨的噓嘯聲。

1.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)《旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法及限值第1部分：旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法》（GB/T10069.1－2006）[2]，應(yīng)用半球面法測(cè)量發(fā)電機(jī)噪聲，并同步采集轉(zhuǎn)速信號(hào)。試驗(yàn)采用的發(fā)電機(jī)工況為冷態(tài)升速測(cè)試，速度變化率為150 (r/min)/min，傳動(dòng)皮帶張緊力為800 N。

1.4 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

試驗(yàn)在半消音室中進(jìn)行，采用比利時(shí)LMS公司的LMS Test.Lab分析儀完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理及分析[3]。試驗(yàn)所用測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。

圖1 交流發(fā)電機(jī)現(xiàn)場測(cè)試圖

2 車用發(fā)電機(jī)噪聲特性分析

通過對(duì)選取發(fā)電機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試（見圖2），發(fā)現(xiàn)其在低速區(qū)時(shí)噪聲超過負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)，尤其在 1800 r/min、2000 r/min分別出現(xiàn)了86 dB、89 dB噪聲峰值，這說明客戶反映的噓嘯聲確實(shí)存在。需對(duì)該款發(fā)電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2 發(fā)電機(jī)負(fù)載噪聲試驗(yàn)結(jié)果

1.噪聲頻譜分析

對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行頻譜圖分析，如圖3所示，可以看出該型發(fā)電機(jī)36階次較其他階次噪聲都高。

圖3 發(fā)電機(jī)噪聲頻譜圖

2.36階次噪聲源分析

對(duì)該款發(fā)電機(jī)進(jìn)行空載測(cè)試，即發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)但不發(fā)電，此時(shí)只有機(jī)械噪聲和通風(fēng)噪聲沒有電磁噪聲。分離出36階次，并將36階次負(fù)載噪聲及空載噪聲進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示，得出如下結(jié)論：

1）在轉(zhuǎn)速7000 r/min之前36階次的負(fù)載噪聲比36階次空載噪聲高出許多，即在7000 r/min之前，36階次的負(fù)載噪聲就是電磁噪聲?？梢钥闯?，在中低轉(zhuǎn)速時(shí)，電磁噪聲在發(fā)電機(jī)負(fù)載總噪聲中占主導(dǎo)作用。

2）在問題轉(zhuǎn)速點(diǎn)附近，36階次噪聲與發(fā)電機(jī)負(fù)載總噪聲相似度極高，是主要噪聲源。

3）從負(fù)載噪聲和空載噪聲中分離出6階次和12階次進(jìn)行比較，其空、負(fù)載噪聲基本一致，排除其對(duì)36階次電磁噪聲進(jìn)行疊加的可能?？梢缘贸鲭姶旁肼暿?6階次本身產(chǎn)生，與6、12階次無關(guān)，而發(fā)電機(jī)部件中階次為36的只有定子，因?yàn)槎ㄗ硬蹟?shù)為36。

4）電磁噪聲主要來源于電磁振動(dòng)，是由發(fā)電機(jī)氣隙磁場作用于發(fā)電機(jī)鐵芯產(chǎn)生的電磁力激發(fā)所引起的[4]。筆者對(duì)定子鐵芯的振動(dòng)進(jìn)行分析測(cè)試，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在負(fù)載工況下，超標(biāo)轉(zhuǎn)速點(diǎn)附近定子振動(dòng)加速度三方向明顯都比空載高出許多，說明超標(biāo)噪聲來源于此振動(dòng)現(xiàn)象。

圖4 發(fā)電機(jī)36階次噪聲試驗(yàn)結(jié)果

3 車用發(fā)電機(jī)降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 定子的改進(jìn)設(shè)計(jì)

由前文分析的噪聲成因可知，本車用發(fā)電機(jī)降噪需針對(duì)定子異常振動(dòng)進(jìn)行改善設(shè)計(jì)，即分別對(duì)定子鐵芯和定子繞組進(jìn)行振動(dòng)改善。

3.1.1 定子鐵芯的改進(jìn)設(shè)計(jì)

定子鐵芯由硅鋼片疊成，通過增加疊片的數(shù)量，從而提高定子鐵芯的剛度，減小振動(dòng)產(chǎn)生，以達(dá)到改善噪聲的目的。依照此方案制作改善樣件進(jìn)行噪聲測(cè)試，結(jié)果顯示改善后樣件噪聲有所降低。

3.1.2 定子繞組的改進(jìn)設(shè)計(jì)

定子繞組是三組用漆包線對(duì)稱地嵌入定子鐵芯槽內(nèi)的線圈，是通過滴入絕緣漆固定在定子鐵芯槽內(nèi)的。因此，可增加滴漆量使定子繞組更好的固定在鐵芯槽內(nèi)，減少定子繞組的振動(dòng)。依照此方案制作改善樣件進(jìn)行噪聲測(cè)試，結(jié)果顯示在低轉(zhuǎn)速時(shí)噪聲有所改善。

3.2 轉(zhuǎn)子的改進(jìn)設(shè)計(jì)

定子的振動(dòng)其中一部分原因是轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場電磁力撞擊定子鐵芯產(chǎn)生的，說明轉(zhuǎn)子提供相對(duì)穩(wěn)定的磁場對(duì)于減少定子振動(dòng)起到至關(guān)重要的作用。所以減少轉(zhuǎn)子的振動(dòng)也是改善發(fā)電機(jī)電磁噪聲的重要手段。

由以往工程經(jīng)驗(yàn)可知，增加斜槽可以降低電磁噪聲，斜槽可使徑向力波沿電機(jī)軸向的軸線發(fā)生相位移，使得沿軸向平均徑向力降低[5]。同理，本設(shè)計(jì)增大轉(zhuǎn)子的倒角也可達(dá)到降低電磁噪聲的目的，如圖5所示。對(duì)改善樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示低速電磁噪聲有明顯降低。

圖5 改善前后爪極式樣的對(duì)比示意圖

3.3 其他部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.3.1 端蓋的改善設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)端蓋和電刷端蓋支撐著定子鐵芯。通過減少驅(qū)動(dòng)端蓋和電刷端蓋的止口大小，使定子鐵芯更緊的固定在它們之間[6]。依照此方案制作樣件進(jìn)行噪聲測(cè)試，此改善方案有一定效果。

3.3.2 軸承間距改善設(shè)計(jì)

為了減小轉(zhuǎn)子振動(dòng)，將轉(zhuǎn)子大軸承位置向右移動(dòng)，以縮短轉(zhuǎn)子兩端軸承的距離，從而更穩(wěn)定的支撐轉(zhuǎn)子軸，減小轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。制作改善后樣件進(jìn)行試驗(yàn)，在低速有少許改善。

3.4 整改后噪聲測(cè)試

經(jīng)過以上各部件的改進(jìn)，超標(biāo)發(fā)電機(jī)的負(fù)載噪聲得到明顯的降低，而且滿足了主機(jī)廠要求。圖6是改善前后發(fā)電機(jī)負(fù)載噪聲對(duì)比曲線，可明顯看出改善后較改善前負(fù)載噪聲有明顯降低。圖7是改善后發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)改善后空載噪聲也有明顯降低。

圖6 改善前后發(fā)電機(jī)負(fù)載噪聲對(duì)比圖

圖7 改善前后發(fā)電機(jī)空載噪聲對(duì)比曲線

4 結(jié)論

1）對(duì)樣機(jī)的噪聲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，找到了噪聲產(chǎn)生的主要階次為36階；

2）根據(jù)制定的試驗(yàn)方案找到了影響36階次噪聲成因的主要部件；

3）依照以往工程經(jīng)驗(yàn)完成了針對(duì)定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承間距等改進(jìn)設(shè)計(jì)；

4）針對(duì)改進(jìn)后的部件進(jìn)行噪聲測(cè)試，整機(jī)的負(fù)載噪聲和空載噪聲均有所降低，發(fā)電機(jī)整體性能指標(biāo)得到提升；

5）改進(jìn)后驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果證明：當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載噪聲降低以后，發(fā)電機(jī)的空載噪聲也會(huì)隨之下降。

[1] 昌詩力.車用發(fā)電機(jī)噪聲試驗(yàn)分析及控制方法研究[D].重慶:重慶理工大學(xué),2017.

[2] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法及限值第1部分:旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法:GB/T 10069.1－2006.[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[3] 王天利,張相坤,楊亮.用階次分析法識(shí)別起動(dòng)機(jī)的異常噪聲[J].噪聲與振動(dòng)控制,2014,34(1):169-172.

[4] 王冬梅,白銳,馮達(dá),等.電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)的有限元分析及優(yōu)化[J].控制工程,2023,30(2):300-306.

[5] 石曉輝,昌詩力,施全,等.某款車用發(fā)電機(jī)低速噪聲源的識(shí)別與控制[J].噪聲與振動(dòng)控制,2015,35(6): 69-73.

[6] 黃燕,王世余,蔣孝文,等.汽車交流發(fā)電機(jī)端蓋柵格對(duì)其氣動(dòng)噪聲和溫度特性的綜合影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2022,22(4):244-258.

Optimization Design of Noise Reduction for Vehicle Generator

TIAN Suqin, XIE Jiayin*, DONG Fangyu, LIN Lin

( Automobile and Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China )

In this paper, the noise test of a certain type of vehicle alternator is carried out by using the silence chamber, and the LMS software is used to analyze the noise later, and the key level point is found to be 36 orders. According to this order point, the test scheme is established and the test data is analyzed. The main cause of generator stator vibration is determined, and the cause components affecting this order noise are found. Referring to the previous engineering experience, the generator is optimized, and the optimized generator is tested and verified, and finally improved.

Generator; Noise test; Order analysis; Optimal design

U467

A

1671-7988(2023)21-111-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.023

田素琴（1999－），女，研究方向?yàn)槠嚪?wù)工程，E-mail:3275539032@qq.com。

謝佳茵（1981－），女，碩士，講師，研究方向?yàn)槠囋肼暸c振動(dòng)控制，E-mail:xiejiayin918@163.com。