郑 妍，易远程，刘鸣洲

（上汽大众汽车有限公司，上海 201804）

汽车噪音性能是整车性能中最重要的部分之一,直接影响驾驶人和乘客对整车品质的主观感受，所以汽车的噪音问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业最关注的问题之一。然而，为了满足日益增长的汽车电子电器等负载的需要，汽车发电机的功率和效率也在不断提升。根据汽车发电机的工作原理，功率和效率的提高意味着发电机的电磁噪音变得越发明显。汽车交流发电机的电磁噪音进行分析与优化，不仅影响到汽车的舒适性，也会涉及燃油经济性、可靠性，对其分析与优化是当前一项重要课题。本文对汽车开发阶段噪音测试数据，运用阶次分析方法，进而针对汽车发电机电磁噪音产生机理提出电磁噪音优化方案，使发电机的电磁噪音在低转速区间声压降到20 dB以下。

1 汽车发电机噪音特点

为了给驾乘者提供上乘的驾驶感受，某国际汽车制造企业采用实车测试方式评价汽车发电机噪音对驾乘人员乘坐舒适性的影响。这种实车测试主要是将汽车停在消声室或空旷的地方，在驾驶舱内不同位置布置声音采集器。发动机运转40 min后，汽车置于空挡，在每一种负载下，测试人员按照要求依次测试不同转速评测发电机噪音情况。数据表明发电机在低转速区间 （发动机转速为750～1800 r／min，发电机转速为1750～4300 r／min）噪音最明显，其发出的啸叫声极易引起客户的抱怨。这种啸叫声绝对需要优化到可接受的范围。

图1 发电机36阶声压级-转速曲线

2 发电机电磁噪音分析

通过对采集到的声压级-转速曲线分析，低转速区间采集到的噪音也就是整车上三相36槽结构的交流发电机发出电磁噪音。原因在于电磁力波的频率会随转速变化而变化，转子每旋转一圈会产生一个36阶次的电磁噪音，当转子达到某一特定转速，与发电机的固有频率发生重叠时，就会产生共振，该噪音会进一步放大，而当发电机转速进一步提高，越过共振点后，电磁噪音又马上减小 （图1）。而发电机的固有频率刚好落在整车怠速区间，这就使得这个电磁噪音异常明显，使驾乘者主观感受很差。

发电机电磁噪音是由于电磁力在定、转子间隙中，产生旋转力波或脉动力波，使定子产生振动而辐射噪声 （图2）。它与电机气隙内的谐波磁场及由此产生的电磁力波幅值、频率和级数以及定子本身的振动特性，如固有频率、阻尼、机械阻抗均有密切的关系，还与发电机的定子声学特性有很大关系。

图2 辐射噪声示意图

3 优化方案及测试结果

发电机噪音主要由设计的电气参数、机械结构及装配工艺决定。影响发电机电磁噪音的因素很多，优化低转速区间的电磁噪音，主要是需要降低36阶次的噪音，通过不断地仿真，实车测试，有以下几种措施值得推荐：①在设计上对发电机转子进行优化；②通过加筋等方式提高部件的刚度；③通过增加阻尼降低发电机的结构振动辐射的噪音；④在生产工艺上进行控制，严格控制公差。

3.1 发电机转子爪极倒角优化

转子爪极倒角几乎不会降低发电机的输出性能，却能大幅削弱主要电磁力谐波的幅值，从而降低电磁振动。计算得出不同的倒角方案，再通过仿真的方法选出效果最好的方案制样 （图3）。

图3 各倒角下的电磁力矩仿真值

优化后New chamfer 02的爪极测试结果，在发动机低转速下可以降低2～3 dB （图4）。

3.2 通过加筋等方式提高部件的刚度。

其一，通过调整爪极热处理工序，优化爪极刚度。增加爪极刚度，减少爪极震颤幅度以减低发电机噪声 （图5）。

优化后产品从结果可以看出此措施可以削弱电磁噪音在低转速的波峰 （图6）。

图4 爪极倒角优化结果

图5 加强爪极刚度

图6 加强爪极刚度数据

其二，优化定子硅钢片的厚度和材料。发电机定子铁心是由硅钢片叠装而成，会在电磁力的作用下在各组薄片之间产生振动，当振动的频率范围在人的听觉范围内，就会产生电磁噪音。将目前发电机的硅钢片的厚度降低0.15 mm，同时增加定子铁心热处理工序，加强硅钢片的刚度。从试验数据分析，电磁噪音有积极的改善。

3.3 在生产工艺上进行控制

研究表明定转子电磁场作用产生的电磁力的大小与磁通密度正相关，而磁通密度是由定转子的空隙大小决定：

式中：Fmag——电磁力；d——定转子间空隙。

如果定转子间的空隙不均匀，就会导致电磁力大小变化因而激发电机本体的振动加剧，将噪音变大。为了减小定转子空隙不均匀，决定定子的配合公差从 （+0.05+0.13）降到 （+0.05+0.09），调整定转子的同心度以使空隙均匀，从而降低电磁力脉动噪音 （图7）。

图7 定转子配合公差优化

通过控制配合公差，可以对发电机的电磁噪音有积极的作用，测试结果如下 （图8）。

图8 控制配合公差效果

3.4 定子优化

增加定子的槽数。根据推导可知，当极对数不变，而改变发电机相数，即从36槽3相电机更改为72槽6相电机后，原有的36阶电磁力的频率被放大2倍 （6×12=72阶）。而电机因为整体结构与质量没有本质的改变，因此其固有的模态频率也没有较大改变。这样，作为激励源的电磁力的模态避开了电机中低频的固有频率，使在怠速阶段发电机电磁噪音改善明显 （图9）。

考虑成本因素方面，各个措施的优缺点见表1。

通过对比采用提高工艺装配降低定转子的配合公差，控制定转子的同心度，同时优化爪极倒角的组合优化方法（组合优化需要根据发电机电磁噪音优化幅度而定）。这样的组合方式不仅可以有效降低发动机低转速区间电磁噪音，还不影响发电机输出效率，相比其他方式，优化成本低。优化后的发电机噪音数据如图10所示。

图9 3相36槽与6相72槽36阶噪音对比

表1 优化措施对比

图10 优化后的发电机噪音数据

4 结束语

相比汽车发电机零部件供应商的台架测试，主机厂更多是以整车发电机噪音表现为判断依据。考虑到发电机电磁噪音是一个系统性的问题，往往发电机在台架上表现不错，但装到整车上发现发电机在发动机低转速区间电磁噪音明显，这是由于整车的振动导致发电机的电磁噪音被放大。同时，在发动机怠速区发动机本身的噪音比较平稳，所以发电机的啸叫声即电磁噪音极易被客户察觉并感不适。本文通过理论分析，提出相关优化措施并实车验证，再根据分析结果，控制发电机电磁噪音在20 dB以下，对汽车制造企业控制发电机电磁噪音具有借鉴意义。