张 浩，贺岩松，徐中明，张志飞

(重庆大学 汽车工程学院，重庆 400044）

某型爪极发电机的模态仿真与试验分析

张 浩，贺岩松，徐中明，张志飞

(重庆大学 汽车工程学院，重庆 400044）

爪极发电机固有频率和模态振型的准确计算是降低电机振动和噪声的基础。基于某型车用爪极发电机，噪声试验显示其存在结构共振导致的电磁噪声偏大问题。首先建立定子铁芯整体模型，在考虑端部绕组的情况下对线圈进行等体积式建模，并完成了整机模型的建立。对材料参数等效处理，通过数值软件进行零部件和整机的自由模态仿真，自由模态试验结果与仿真结果的最大误差为7.1%，二者具有较好的一致性。最后完成整机约束模态试验和仿真，验证建模方法和模态分析的有效性。可为同类型爪极发电机建模和模态计算提供参考。

振动与波；爪极发电机；建模；模态仿真；模态试验；电磁噪声

爪极发电机作为汽车蓄电池和电器的供电源而得到广泛应用，是汽车的重要结构噪声辐射部件。电机的振动噪声不仅会导致电机疲劳、缩短生命周期，还严重影响产品NVH性能和竞争力。为更好地控制电机振动噪声，结构模态分析成了各大厂商的重点研究内容之一。

爪极发电机噪声由电磁噪声、机械噪声和空气动力性噪声三部分构成,常用转速范围内其电磁噪声和机械噪声占主导地位[1]。随着加工精度和装配工艺的提升，机械噪声能够得到比较好的控制[2]。在某知名汽车公司的半消声室内测试的样机噪声声压级曲线如图1所示。

图1 空载和负载工况噪声声压级-转速曲线

从图1可以看出，中低转速范围内，负载工况下的电磁噪声声压级偏高，严重影响整车的NVH性能。电磁噪声是当电磁力频率与发电机结构的模态频率相接近时因产生共振而辐射出较强的噪声[3]。

因此，深入研究发电机的结构特性，准确建立电机零部件和整机模型并进行模态分析是抑制电磁振动噪声的基础[4]。国内外针对汽车发电机结构特性开展了大量的研究，文献[5]考虑定子和机座的作用，提出了定子固有频率的公式，计算定子的固有频率和振动特性，并研究了铁芯厚度和长度的影响。文献[6]分析了铁心齿、绕组等部件对定子结构固有模态的影响，指出对于高阶的固有模态，定子铁心齿不能再以简单的附加质量来近似处理，浸漆绕组可以提高定子的固有频率。文献[7]对发电机定子端部绕组进行模态分析,并对模态分析结果与试验进行了比较。文献[8]将定子绕组等效为空心圆柱体,其有限元分析结果与敲击实验结果比较吻合。文献[9]对汽车发电机零部件及整机的模态进行了仿真分析和试验对比，但整机模态仿真时将转子做了大量简化。可见，爪极发电机建模和模态分析还需要进一步研究。

文中以某爪极发电机为对象，建立前端盖、转子等模型，并用等体积方式建立了定子等效模型，简化处理其它零部件后，装配整机三维模型。基于有限元软件对定子等零部件和整机进行了模型仿真，并利用模态试验进行了对比验证，二者结果具有较高的一致性，为同类型爪极发电机模态分析提供了参考。

1 模态分析理论

模态分析是结构动力学分析的基础，可用来获取结构的固有频率和振型。爪极发电机结构的运动方程为

式中K为定子的刚度矩阵，M为定子的质量矩阵，R为定子的阻尼矩阵，F为节点力矢量， 为偏离原来平衡位置的广义位移矢量。

对于自由振动结构，其R={0}，F={0}，时间导数用jω代替（其中ω为角频率），则结构的无阻尼自由振动方程为

方程(2)有解的条件为

式中ω为结构的固有频率，特征向量{x(t)}为结构的各阶振型。

2 模态仿真

2.1 电机结构建模

爪极发电机结构复杂，为便于建模和后续结构动力学分析，建模时忽略电子元件等小质量小刚度零部件，保留端盖、转子、定子、轴、轴承、螺栓和线圈的主要结构。

定子由铁芯和线圈构成，其建模和模态分析是重点研究内容。定子铁芯采用硅钢片叠压而成，其建模和模态分析是重难点，本文采用建立实体模型的方式，并缩小铁芯力学参数来计算其固有频率[10]。定子线圈极具不规则性，且对定子的固有频率的影响较大。文献[8]将端部绕组等效成与实际绕组体积相同的空心圆柱体，绕组密度按铜线、绝缘材料和气隙的比例来等效。文献[11]直接将绕组的质量加到定子齿中，使定子齿的密度增大，从而来计算定子的模态频率。文献[12]将绕组用直导线代替，利用有限元法进行了模态分析，忽略绕组端部质量和刚度的影响。本文在处理绕组时，根据实际绕组分布规律和体积轮廓进行建模，即建立等体积模型，考虑了绕组端部质量对固有频率的影响，建立的定子模型如图2所示。

图2 定子模型

轴承结构复杂，本文将其简化成空心圆柱体结构。转子线圈按照一定规则缠绕在转子内部，将其按照实际轮廓进行等效建模。建立好各零部件模型后，装配得到整机模型，其结构爆炸图如图3所示。

图3 爪机发电机结构模型

2.2 电机模态仿真

模态仿真采用数值软件Ansys进行，电机内部有效接触只能为线性形式，因此电机内部的合理接触设置是关键点。轴承位于轴和端盖之间，仿真时将端盖和轴承采用绑结接触，而轴和轴承利用转动副进行约束。端盖内表面和定子外表面之间接触复杂，本文在四个螺栓孔附近将端盖和定子采用绑结形式，剩余部分允许小位移移动。网格剖分完成后，其整机的有限元模型如图4所示。

样机的材料参数需根据仿真和试验结果进行验证更新，确定后的主要材料力学参数如表1所示。

图4 发电机整机有限元模型

表1 发电机零部件材料力学参数

从图1可以看出，电磁噪声的主要在中低转速范围内（即1 500 r/min～5 000 r/min）突出，其噪声频率主要在3 000 Hz以内，因此本次结构仿真只取前3阶固有频率结果进行分析。前端盖、定子和整机的结构模态仿真结果如表2所示。

表2 发电机零部件模态仿真结果

转子作为电机的重要零部件，但其1阶固有频率超出3 000 Hz，因此文中并未列出转子模态分析结果。前端盖、定子和整机的前3阶模态振型如图5－7所示。

图5 前端盖前3阶模态振型

图6 定子前3阶模态振型

从图5－图7看出，端盖模态振型分别为椭圆形和三角形；定子模态振型分别为椭圆形、三角形和四边形；整机模态振型分别为轴向振动、椭圆形和三角形。在中低频范围内，电机整机模态振型与零部件模态振型较接近，主要为椭圆和三角振型。

图7 发电机整机前3阶模态振型

3 模态试验

模态试验可以提取结构的固有频率、振型等动态特性，广泛应用于各种结构[13]。获得结构的模态参数对确定有限元模型可靠性，以及验证模态仿真模型和零部件间接触形式的正确性具有重要意义。

3.1 自由模态试验

模态试验系统主要包括三部分，即激振系统、数据采集系统和模态分析系统。激振系统为江苏联能力锤，数据采集系统为16通道的LMS SCR02型，模态分析软件为LMS Test.Lab，本次模态试验基本原理如图8所示。

图8 模态试验基本原理图

试验采用固定传感器和移动力锤的方式进行，敲击点选取原则是在避开各阶节点的基础上，尽可能多地代表整个轮廓。试验时用激励锤对零部件施加随机冲击激励，用加速度传感器测量加速度信号。通过力锤的冲击力时域信号和加速度计的响应信号一起进行频响函数估计,就可得到固有频率。定子和整机自由模态试验现场布置如图9所示。

图9 定子和整机模态试验布置图

在采用锤击法模态试验过程中，信号的采集和处理非常重要。试验时采取合适的敲击力度，并使敲击信号尽量与脉冲信号一致[14]。试验过程中传递函数的相干系数保证在0.85以上。为减少随机误差，可采用多次敲击每个测试点对传递函数进行平均计算，保证试验的可靠性[15]。

3.2 自由模态试验结果

为和仿真构成对比，采用锤击法的模态试验结果只分析结构前3阶的频率成分。表3为前端盖、定子和整机的自由模态试验结果。结果显示，各零部件和整机模态试验结果与仿真结果误差均在7.5%以内，二者一致性较高。

表3 发电机零部件模态试验结果

3.3 约束模态试验

电机工作时处于约束状态，其固有频率也会有一定改变，为此，本文加入约束模态试验和仿真进行对比，传感器直接沿用自由模态试验的布置方式。样机约束模态试验布置如图10所示，利用夹具将端盖的安装孔固定住。

图10 整机约束模态试验布置图

整机约束模态试验结果在1 500 Hz以内没有出现固有频率点。表4列出了约束模态试验结果和仿真结果的对比，最大误差为4.4%，仿真结果具有很高的可靠性。

表4 发电机约束模态结果对比

4 结果分析

为了进一步研究噪声各个阶次在不同转速下对发电机总辐射噪声的影响程度，在0～6 000 r/min转速范围内对负载工况的各个阶次噪声的声贡献量进行了分析，结果如图11所示。

从图11可以看出，电机36阶次频率成分是主要噪声峰值，并在2 750 r/min和3 400 r/min转速有较大峰值，对于该型36槽电机，即对应1 650 Hz和2 040 Hz附近出现共振，各频率结果对比如表5所示。对于模态试验的第3阶次频率未出现共振噪声，可能原因有试验误差，或者噪声测试时负载工况下电机状态的影响。

图11 电磁噪声声贡献量分析

表5 各频率结果分析

5 结语

本文建立爪极发电机零部件和整机模型，通过试验更新材料力学参数，零部件的自由模态仿真结果误差在7.5%以内，整机的自由模态仿真结果在2%以内，满足工程设计需要。

完成了爪极发电机的约束模态试验和仿真，二者结果具有很好的一致性，并从阶次和频率上分析了电磁噪声偏大的原因，表明了有限元模态仿真的准确性。这为同类型爪极发电机模态分析提供了参考，是电磁噪声控制的基础。

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Modal Simulation and TestAnalysis of a Claw-poleAlternator

ZHANG Hao,HE Yan-song,XU Zhong-ming,ZHANG Zhi-fei
(College ofAutomotive Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044)

Precise calculation of natural frequencies and mode shapes is the foundation of vibration and noise reduction for claw-pole alternators.Noise test of a claw-pole alternator shows that it has the problem of overlarge electromagnetic noise due to the structure resonance.In this article,the model of the stator core and the equivalent volume model of the coil including the end winding are built.Meanwhile,the whole alternator model is established.Material parameters are also processed equivalently.The free vibration modals of the components and the whole alternator are simulated by means of finite element software.It is found that the test results and the simulation results are in good agreement and their maximum error is only 7.1%.Finally,the modal test and simulation in constraint state are completed and the effectiveness of the modeling and the modal analysis method is verified.

vibration and wave;claw-pole alternator;modeling;modal analysis;modal test;electromagnetic noise

TM301.4

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.011

1006-1355(2017)03-0058-04+95

2016-12-12

汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室资助项目（Q145615）

张浩（1991－），男，重庆市云阳县人，硕士研究生，主要研究方向为车辆振动噪声控制。E-mail:zhanghao_0803@163.com

贺岩松，男，湖南省双丰县人，教授，博士生导师。E-mail:hys68@cqu.edu.cn