车载交流电机噪声振动分析与试验研究

杨平

摘 要：为研究某同步交流电机的噪声来源和噪声变化规律，该文通过试验对交流电机的噪声特性进行研究。首先设计开发了电机噪声振动分析系统，采集电机在空载及负载状态下噪声的时域信号;其次利用频谱、阶次分析等方法，找出了发电机在两种工况下噪声峰值的主要阶次成分，并找到了电磁噪声出现峰值现象的原因。分析结果表明，电机在空载工况下，风扇噪声是最大的噪声源;负载工况下，发电机转速在3000r/min和6000r/min附近出现的噪声峰值是由36阶径向电磁力波引起电机机壳的共振而产生的。

关键词：发电机;电磁噪声;噪声试验;阶次分析

中图分类号：TM306  文献标识碼：B  文章编号：1671-7988（2020）16-140-03

Abstract： In order to study the noise of a vehicle synchronous AC motor ，the noise characteristics of a vehicles alternator were studied experimentally. Firstly， the noise vibration analysis system of motor vehicle is designed and developed， and the time domain signal of the noise of the motor in no-load and load condition is acquired. Secondly， the main order components of the noise peak value of the generator were found through the methods of frequency spectrum and order analysis in the loading condition， and the cause of peak phenomenon of electromagnetic noise was found. The results show that the fan noise is the biggest noise source under no-load condition ，and In the load condition， the noise peak at the vicinity of 3000r/min and 6000r/min is generated by the resonance of the 36-step radial electromagnetic wave causing the motor end cover.

Keywords： Automobile generator; Electromagnetic noise; Noise test-bed; Order analysis

CLC NO.： TM306  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）16-140-03

引言

随着用户对汽车乘坐舒适性要求的不断提高，对车载发电机的噪声，尤其是怠速工况时发电机的噪声提出了更加严格的要求[1]。发电机的振动和噪声水平也是评价汽车发电机性能好坏的重要标志之一。因此，对车载交流电机噪声进行研究不仅是市场的需求，更是企业解决电机噪声问题，提升产品性能的重要课题。

近年，随着高校和科研机构对发电机理论和试验研究的重视，我国在电机噪声评价与控制方面积累了较为丰富的经验。吴小珊、施全等人提出了一种基于噪声主观评价结果，采用阶次分析的乘用车启动电机客观评价方法，解决了电机噪声声品质的评价问题[2]。郑江利用多物理场有限元仿真与试验相结合的方法对异步电机的噪声问题进行了研究并提出了抑制方法[3]。林福、左曙光等通过试验对常见的机械噪声和电磁噪声特点进行了研究，通过此项研究工作可识别永磁同步电机的每一阶次噪声和共振噪声的来源[4]。于莫岩、刘茜等人利用有限元仿真与试验验证相结合的方法对永磁同步电动机高频噪声激励源和噪声特点进行了研究，得出了高频幅值噪声频率与变频器开关频率的对应关系式[5]。符为榕、陆益民等人针对车用交流发电机在低转速下噪声值偏高并伴有啸叫声的现象，通过实验方法对发电机的电磁噪声特性进行了研究[6]。

本文结合某研究院对电机振动噪声的测试研究项目，设计开发了车载交流电机噪声振动分析系统，运用噪声测试仪及噪声分析软件进行不同加载条件下噪声值的测试和对比分析。该系统既可有效地对交流电机在运行过程中的稳态噪声进行测试，也可对其在升/降速、瞬态等非稳态过程的噪声进行监测和分析，进而为降低车载交流发电机的振动噪声提供了数据和思路。

1 测试分析系统

本次试验的采样频率和分析频率分别为：48000Hz和20480Hz。试验台架用声压传感器G.R.A.S46AE记录交流发电机的噪声信号，用两个分别布置在发电机前端盖和发电机安装支点上的加速度传感器采集交流发电机的振动信号，用光电转速传感器对转速进行监测。试验台机械机构如图1所示。驱动电机用来模拟发动机，对试验系统的转速进行控制。

2 交流发电机噪声试验及分析

2.1 空载噪声试验

发电机空载时的噪声主要为空气动力噪声和机械噪声，空气动力性噪声来源是电机通风系统中气流压力的局部迅速变化和随时间的急剧脉动，以及通风气流与电机风路管道的摩擦[2]。空气噪声的特征频率计算公式为[9-10]：

从图中可以看出，当转速小于 5000 r/min时，发电机负载状态下的噪声总值变化较快，波动较大，也可发现在该转速范围内发电机噪声总值与36阶噪声值的变化曲线相吻合。因被试发电机的定子槽数为36，由此可以推断36阶的噪声值与发电机定子槽相关。发电机在3000r/min和6000r/min转速附近各阶电磁噪声都存在峰值现象，这也是总体噪声出现峰值的原因。在转速6000r/min附近，发电机总体噪声与各阶次噪声值最为接近，转速大于7000r/min时，主要噪声源为12阶风扇噪声。

分析噪声峰值产生的原因，发电机中主磁通大致上沿径向进入气隙，并在定、转子上产生径向力，从而引起电磁振动和噪声，同时它也产生切向转矩，引起切向振动，发电机定子槽产生的振动传递给机壳，是否是因为机壳固有频率与电磁噪声频率发生了重合，导致共振引起峰值噪声。为探明其原因，需对发电机机壳进行模态分析。

对模式试验结果进行分析，发现电机机壳的传递函数在1700Hz处出现了峰值，而电磁噪声出现第一个峰值转速为3000r/min，由式（3）可计算得到该处的电磁噪声频率为1800Hz，刚好与电机机壳传递函数峰值频率1700Hz重合。由此得出，发电机在3000r/min和6000r/min附近的36阶噪声峰值是由定子槽产生的电磁波传递给电机机壳引起的共振而产生。于是本文提出在发电机定子与机壳间加入减振材料改变电机机壳固有频率或者改变发电机转速的方法来降低电磁噪声，避免噪声峰值现象的发生。

对该交流发电机进行瞬态工况加速振动测试，发现转速在2000r/min到5000r/min范围出现噪声值在70dB以上的只有18阶次和36阶次的电磁噪声，这与低转速下电磁噪声为主要噪声的理论相吻合;各阶次噪声随着转速的增加而增加，也再次说明了发电机负载噪声随转速增大而增加的观点。

3 结语

本文通过噪声试验得出了以下结论：

（1）运用阶次分析方法进行了空载和负载噪声试验。发现电机空载工况下，风扇噪声是最大的噪声源。发电机在3000r/min和6000r/min处噪声偏大是因为发电机在36阶径向电磁力波的激励下与电机机壳产生共振造成的。该研究为本款发电机电磁噪声的优化奠定了基础;

（2）负载时车用发电机噪声值大于空载时车用发电机噪声值;

（3）低转速下电磁噪声是主要噪声源，此时发电机电磁噪声中的 36 階成分比较显著。

参考文献

[1] 代颖，催淑梅，张千帆.车用异步电机的电磁振动噪声分析[J].中国电机工程学报，2012，32（33）：89-97.

[2] 吴小珊，施全，石晓辉，等.乘用车启动电机噪声评价方法[J].噪声与振动控制，2015，35（2）：86-90.

[3] 郑江，代颖，石坚.车用异步电机的电磁噪声分析与抑制[J].电机与控制应用，2017，44（6）：74-78.

[4] 林福，左曙光，吴旭东，等.基于阶次分析的永磁同步电机噪声源识别[J].农业工程学报，2016，17（9）：69-76.

[5] 于莫岩，刘茜，陈勇，等.变频器供电的电动客车永磁电机高频噪声研究[J].计算机仿真，2019，36（7）：120-125.

[6] 符为榕，陆益民，周宗琳，等.车用交流发电机电磁噪声特性的实验研究[J].噪声与振动控制，2014，34（6）：85-89.

[7] Nabil Hammad， Sameh M Metwalley， Abou-El-Nour， et al.Abouel- Seoud， Noise generating mechanisms of vehicle al-ternators[J]. SAE， 2005-01-3616，Chicago -Illinois -USA.

[8] Sean F Wu， Eugene Rivin and Michael Disalvo. Noiseanalysis of automotive alternators[J].SAE， 1999-01-1712，Traverse City-Michi -gan-USA.

[9] 康海英，栾军英，田燕.等阶次跟踪在齿轮磨损中的应用[J].振动与冲击，2006，25（4）：112-180.

[10] N.T.舒波夫，沈官秋译.电机的噪声和振动[M].北京：机械工业出版社，1980.