CN104362918A - 汽车交流发电机降噪优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车交流发电机降噪优化设计方法,该方法包括如下步骤：步骤一：建立电机结构三维有限元模型，利用有限元法对发电机的结构模态进行计算，得出发电机各主要零部件及整机的模态特性，最后模态仿真与实验的对比分析，根据结果对有限元模型进行调整；步骤二：在对电磁力特性的研究基础上,通过对比不同加载方式的计算结果,用电磁力简化加载方式对发电机电磁振动响应进行计算；步骤三：应用瞬态边界元法进行电磁声辐射计算,得到各振动响应的声辐射结果。本发明方法对电机的结构模态进行分析，从模态实验中提取结构参数，预知振动形态，对结构进行改进，防止共振现象的产生，进一步对结构进行优化。

Description

汽车交流发电机降噪优化设计方法

技术领域

本发明属于汽车降噪领域，具体涉及一种汽车交流发电机降噪优化设计方法。

背景技术

汽车在中国越来越普及,人们对汽车的舒适性要求也越来越高。车用发电机做为汽车上必不可少的一部分,其噪声标准也越来越严格。

车用交流发电机的噪声主要通过固体和空气传播两种途径传递到车辆的车室内,中国的各大汽车生产商对供应商所提供交流发屯机的NVH性能要求也日益严格。所以发电机的噪声大小不仅反映了其生产质量,同时也一定程度上决定了其市场竞争力。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种汽车交流发电机降噪优化设计方法，通过建立汽车电机结构三维有限元模型，对电机的结构模态进行分析，从模态实验中提取结构参数，预知振动形态，对结构进行改进，防止共振现象的产生，进一步对结构进行优化。

本发明的技术方案是：一种汽车交流发电机降噪优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：首先建立电机结构三维有限元模型，然后利用有限元法对发电机的结构模态进行计算，并与模态实验进行对比分析，以验证仿真计算的可靠性，并得出发电机各主要零部件及整机的模态特性，最后模态仿真与实验的对比分析，根据结果对有限元模型进行调整；步骤二：在对电磁力特性的研究基础上,通过对比不同加载方式的计算结果,用电磁力简化加载方式对发电机电磁振动响应进行计算；步骤三：将电磁振动结果导入LMS VirtuaL Lab中,应用瞬态边界元法进行电磁声辐射计算,得到各振动响应的声辐射结果。所述步骤一中：有限元模型的建立是在有限元软件Hyper Mesh中完成的，包括发电机前端盖、定子、后端盖及整机的有限元模型，转子以集中质点的方式施加在整机模型中。所述前端盖、后端盖与定子的接触部分采用部分节点称合的方式形成刚性连接。所述前端盖、定子和后端盖的模态计算均是在自由状态下进行，只取3000Hz以下的模态。所述有限元模态计算方法采用兰索斯法。所述整机的模态特性测量是在发电机前端盖、定子、后端盖和罩盖的圆周表面上各选取18个点,每隔20°选取一点作为测点；全约束节点在测量时直接跳过，在定子上选取一个响应较好的固定节点做为三相传感器的测量点,采用移动力锤的方法进行发电机模态测试,力锤沿着径向敲击各测点。每个测点敲击5遍,每遍敲击3次,以减小实验误差。所述步骤三为：在Hyper Mesh中建立了发电机声学模型,在VirtuaL Lab中模拟发电机的噪声测试环境及测点位置建立半消声室声学仿真环境和以发电机中心为半径的场点，把计算得到的强迫振动响应结果做为边界条件进行声辐射计算,得到发电机在1830Hz、1850Hz和2790Hz下的电磁声辐射结果；对电磁力的不同加载方式下的强迫振动进行声辐射计算,得出不同加载方式下声辐射结果。所述设计方法还包括步骤四：计算定子变形和偏心情况下的电磁噪声。

本发明有如下积极效果：通过建立汽车电机结构三维有限元模型，对电机的结构模态进行分析，从模态实验中提取结构参数，预知振动形态，对结构进行改进，防止共振现象的产生，进一步对结构进行优化。

附图说明

图1为本发明具体实施方式发电机模态实验示意图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明方法包括三个步骤，下面按步骤介绍本发明方法的思路：

步骤一、电机结构模态分析与优化设计；

电磁噪声主要是指电磁力与电机结构振动模态发生共振而向外福射的噪声，因此对电机进行结构振动模态分析，掌握模态固有频率和振型，是深入进行电磁噪声研究的基础。

首先建立电机结构三维有限元模型，然后利用有限元法对发电机的结构模态进行计算，并与模态实验进行对比分析，以验证仿真计算的可靠性，并得出发电机各主要零部件及整机的模态特性。最后模态仿真与实验的对比分析，根据结果对有限元模型进行调整，从而提高有限元模型的精确度，为进一步结构优化设计提供前期准备。

1. 电机结构三维有限元模型的建立

结构动力学特性的研究有多种方法，模态分析是一种近代产生的方法。我们知道模态是机械结构的固有属性，与外界因素无关，模态参数包括固有频率、阻尼比和固有振型。模态参数的获取可以通过实验和计算两种途径，,这个获取模态参数的过程叫做模态分析，前一种方法叫做实验模态分析，后一种又分为解析法和数值计算法，有限元法计算模态就是基于后者的数值计算法求解的。

固有模态只和结构自身的固有特性有关，,与外界因素无关。结构在外力作用下的振动响应是各模态强迫振动响应的线性叠加。可见模态计算是强迫振动响应计算的基础。当振动系统是多自由度系统时，此时存在多阶模态，每一阶模态都对应着其模态参数，,包括固有频率、模态质量、固有振型、模态刚度和阻尼比等。频率、振型和阻尼是模态参数中最为重要的，如果系统是无阻尼的则只有频率和振型。模态计算很重要，通过模态计算能预知结构产生共振的频率和共振时的结构变形，即可以为工程应用提供参考，以避免共振所产生的弊端。

车用交流发电机的结构复杂，主要由皮带轮、前端盖、定子、转子、风扇、后端盖、整流器、罩盖等组成。发电机各零件的加工方法可知道各个零件的几何特征均比较复杂，微小的几何特征(例如倒角)特别多，而有限元模型节点过多直接影响到计算速度且对计算机的内存要求也明显提高。考虑到计算机的承受能力，在有限元模型建立时根据几何特征对模态的影响大小对其进行适当简化，省略掉许多边角结构，以提高其运算速度。

项目有限元模型的建立是在有限元软件Hyper Mesh中完成的，只建立了发电机前端盖、定子、后端盖及整机的有限元模型，转子及其他部分以集中质点的方式施加在整机模型中。

发电机前后端盖与定子的装配在设计阶段采用的是过盈配合，在实际产品上它们之间是间隙配合，在发电机运行过程中又因热胀冷缩前后端盖与定子间的配合会变得更紧密，所以前后端盖与定子的配合是比较复杂的。本文整机有限元模型中前、后端盖与定子的接触部分采用部分节点稱合的方式形成刚性连接，螺栓连接部分采用beam和rigid单元进行简化代替。发电机转子部件是通过轴承与发电机端盖连接，这里只考虑了其质量的影响，以集中质量点的方式施加在模型中，通过reb3单元将mass质点悬挂在前后端盖轴承位置处，转子部分的质量为2.256X 10e-3T。

2. 模态仿真计算

ANSYS中虽说没有规定单位，但是用户要根据单位统一原则来自己定义，本文中各物理量采取的举位制见表1，长度单位为mm，时间单位为S。

表1 计算使用的单位制

对发电机零件进行模态计算主要是为了校准其材料参数，为进一步整机模态计算奠定越础，使整机模态计算结果更加准确。前端盖、定子和后端盖的模态计算均是在自由状态下进行，只取3000Hz以下的模态。发电机整机的模态计算则是在安装状态下进行的，安装状态与发电机实际运行状态相一致。表2给出了前端盖、定子和后端盖的材料参数，这些参数经过后面介绍的模态实验校准，且也在对应材料参数的范围之内。

表2 电机各部分材料特性参数

在有限元软件ANSYS中有很多种方法可以进行模态计算，采取兰索斯法进行模态计算。分别针对发电机前端盖模态、发电机定子模态和发电机后端盖模态，最后针对发电机整机模态。对上述发电机的前端盖、定子、后端盖及其整机的模态计算结果进行汇总，汇总结果见表3。

表3 发电机模态仿真结果 单位：Hz

3. 模态实验

从模态实验中可以提取结构各模态参数,包括固有频率和固有振型。知道这些模态参数就可以准确的预知结构的振动形态，还可以通过适当的结构改进以防止共振现象的产生，进一步对结构做优化。同时有限元模态的仿真结果可以对照模态实验结果做适当的修正，为后面结构优化设计提供更加准确的数据模型。

实验方案：

发电机模态实验示意阁如图1所示,所需硬件如下:

a)发电机及其工装

b)数据采集前端——LMS-SCM05采集前端

c)测试软件    LMS Test. Lab 1 OA/Structure Acquisition/Spectral Test

d)力锤激振器  型号:HEV500;最大激振力:200N

e)激振器功率放大器——型号:HEA500G;最大功率210VA

f)PCB-ICP力传感器——灵敏度标定范围:11241mv/kN ±15%;量程:0.4448kN

g)PCB-ICP三向加速度传感器——灵敏度标定:100mv/g ±10%;量程: ±50g

h)笔记本电脑一台

1）首先进行零件模态实验

对零件进行模态测试主要为了校准零件的材料参数,所以零件的模态测试均在悬挂的自由状态下进行,且只取2000Hz内的模态。

前端盖的模态测试状态：将前端盖用橡皮筋悬挂,在前端盖的圆周方向选取3个力锤敲击点(避开模态节点位置)和1个传感器响应点。每个测点敲击5次,每次敲击3次,以降低偶然误差。

定子模态测试的悬挂方法同前端盖,也选取3个测点, 后端盖模态测试时悬挂方法同前端盖,也选取3个测点，都是在LMS Test. Lab中对实验采集数据进行处理。

2）最后进行整机模态实验

在发电机前端盖、定子、后端盖和罩盖的圆周表面上各选取18个点,每隔20°选取一点作为测点。某些全约束节点在测量时直接跳过,因为全约束点是不会变形的,在定子上选取一个响应较好的固定节点做为三相传感器的测量点,采用移动力锤的方法进行发电机模态测试,力锤沿着径向敲击各测点。每个测点敲击5遍,每遍敲击3次,以减小实验误差。对测得的数据在Poly Max Modal Analysis中进行处理。

4. 模态仿真与实验的对比分析

将发电机零件模态仿真计算结果与发电机零件模态实验结果做对比,以模态实验结果为基准对模态仿真计算结果做相对误差分析,根据结果对有限元模型进行调整，从而提高有限元模型的精确度。

将发电机整机模态仿真计算结果与发电机整机模态实验结果做对比,以模态实验结果为基准对模态仿真计算结果做误差分析, 根据结果对有限元模型进行调整，从而提高有限元模型的精确度。

有限元计算的误差来源之一是有限元模型的准确度,即与实际模型的逼真程度,上述零部件及整机的模态计算误差一部分来自于此。建模时考虑到几何特征的复杂程度及计算机的承受能力,对零部件及整机的有限元模型都做了简化。零部件的模态计算误差比整机的模态计算结果误差小,是因为对零部件的简化比较少且只对零件几何特征进行了简化;而整机模型较为复杂,零件极多,为了计算方便只建立了机壳部分,其余部分均等效为转子系统,以质量点的方式等效施加在有限元模型中,这可能引起较大的误差,另外对机壳的装配连接部分也做了简化。

步骤二、接着在对电磁力特性的研究基础上,通过对比不同加载方式的计算结果,提出了一种合理的电磁力简化加载方式。利用这种简化加载方式,对发电机电磁振动响应进行计算。为验证振动响应结果的合理性,进行了发电机振动测试实验。

电磁强迫振动响应是进行电磁声辐射计算的边界条件。电磁力作用在发电机定子上，会产生相应的强迫振动响应。

1.  首先对电磁力的特性及加载方式加以研究，探索合理的电磁力加载方法。

有研究表明电磁噪声主要由径向电磁力引起，电磁力是随时间、空间不断变换的,径向电磁力也是如此。径向电磁力的不是单一简谐成份,而是山多个简谐规律变化的力组成。电磁噪声主要是由于径向电磁力的频率与电机结构固有频率一致引起共振而向外福射的噪声。

对电磁力进行离散傅立叶得到各频率成份,每个定子齿上的电磁力施加在定子齿中心节点上,对比下面三种施加方式下的强迫振动响应结果①只加载12倍频成份的力、②加载12倍频+24倍频+36倍频成份的力、③只加载36倍频成份的力,发现第一种情况下振动响应比第二种情况和第三种情况下的振动响应小的多,第二种情况和第三种情况的振动响应相当,所以计算电磁共振问题时只加载36倍频成份即可。这进一步揭示了电磁噪声主要是36谐次成份,上述现象也可通过内燃机中曲轴角振动和切向力矩的关系进行解释。

2.然后利用有限元法对发电机的电磁强迫振动进行计算，并进行发电机振动测试实验，验证电磁振动响应的合理性。

运用得出的电磁力简化施加方式,在ANSYS中对发电机整机分别加载1830Hz、1850Hz和2790Hz的电磁力,求得各频率下的电磁振动位移响应。通过与该型号发电机的振动动测试结果进行对比分析,判断出电磁振动响应仿真结果是合理的。

步骤三、最后将电磁振动相应结果导入LMS VirtuaL Lab中,应用瞬态边界元法进行电磁声辐射计算,得到各振动响应的声辐射结果。为验证计算结果,在专用发电机噪声测试实验室中,进行了电磁噪声测试实验。还计算了在考虑定子变形和偏心情况下的电磁噪声。

本发明在相关声学理论知识的指导下对声场计算进行前处理,并进行发电机电磁声辐射仿真计算。为进一步验证电磁力简化施加方式的正确性，将对不同施加方式下的振动响应进行声辐射计算并进行结果对比。同时对发电机进行噪声特性实验以验证电磁振动声辐射计算结果的准确性。最后针对气隙偏心对电磁噪声的影响进行仿真研究。

    介绍了声学的理论知识,在Hyper Mesh中建立了发电机声学模型,在VirtuaL Lab中模拟发电机的噪声测试环境及测点位置建立了半消声室声学仿真环境和以发电机中心为半径(0.5m)的场点。把计算得到的强迫振动响应结果做为边界条件进行声辐射计算,得到发电机在1830Hz、1850Hz和2790Hz下的电磁声辐射结果。对电磁力的不同加载方式下的强迫振动进行声辐射计算,得出不同加载方式下声辐射结果。对同型号多台发电机运用五点法进行噪声测试实验。以噪声实验结果为基准,对发电机电磁声辐射仿真结果进行对比分析。以噪声测试结果为基准,对发电机模态实验结果进行误差分析。最后仿真计算了气隙偏心对电磁噪声的影响。上述工作的结论如下:

 (1)发电机噪声测试实验得出了该型号电机的噪声范围,通过将电磁声辐射仿真结果与噪声测试结果的对比发现1830Hz和1850Hz下的仿真结果偏小,2790Hz下的仿真结果在噪声范围之内。理想状态下(没有气隙偏心)的电磁声辐射仿真结果整体上比噪声测试结果偏小。

 (2)通过对比①只加载12倍频成份的力、②加载12倍频+24倍频+36倍频成份的力、③只加载36倍频成份的力这三种电磁力施加方式下的声辐射仿真结果,发现第一种情况下声压响应比第二种情况和第三种情况下的声压响应小的多,第二种情况和第三种情况的声压响应相当,这进一步证实了本文的电磁力简化施加方式是正确的,即采用第三种简化方式。

 (3)以噪声测试结果为基准对模态实验结果进行相对误差分析,模态实验结果的误差都在10%以内,说明了模态实验结果是可靠的,证实噪声超标由电磁共振引起,.也说明电磁噪声仿真分析整个流程的连贯性和一致性。

 (4)仿真分析了定子变形、向上偏心和向左偏心这三种情况下气隙偏心对电磁噪声的影响,发现这三种气隙偏心都使电磁噪声增大,且定子向上偏心使电磁噪声增大的幅度比定子向左偏心引起的增大幅度大得多。所以,定子偏心位置不同引起的电磁噪声增大幅度是不同的,实际生产中应尽量避免发电机在结构刚度小的位置(即定子左右偏心的情况)发生偏心。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种汽车交流发电机降噪优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：首先建立电机结构三维有限元模型，然后利用有限元法对发电机的结构模态进行计算，并与模态实验进行对比分析，以验证仿真计算的可靠性，并得出发电机各主要零部件及整机的模态特性，最后模态仿真与实验的对比分析，根据结果对有限元模型进行调整；

步骤二：在对电磁力特性的研究基础上,通过对比不同加载方式的计算结果,用电磁力简化加载方式对发电机电磁振动响应进行计算；

步骤三：将电磁振动结果导入LMS VirtuaL Lab中,应用瞬态边界元法进行电磁声辐射计算,得到各振动响应的声辐射结果。

2.根据权利要求1所述的汽车交流发电机降噪优化设计方法，其特征在于，所述步骤一中：有限元模型的建立是在有限元软件Hyper Mesh中完成的，包括发电机前端盖、定子、后端盖及整机的有限元模型，转子以集中质点的方式施加在整机模型中。

3.根据权利要求2所述的汽车交流发电机降噪优化设计方法，其特征在于，所述前端盖、后端盖与定子的接触部分采用部分节点称合的方式形成刚性连接。

4.根据权利要求3所述的汽车交流发电机降噪优化设计方法，其特征在于，所述前端盖、定子和后端盖的模态计算均是在自由状态下进行，只取3000Hz以下的模态。

5.根据权利要求4所述的汽车交流发电机降噪优化设计方法，其特征在于，所述有限元模态计算方法采用兰索斯法。

6.根据权利要求1所述的汽车交流发电机降噪优化设计方法，其特征在于，所述整机的模态特性测量是在发电机前端盖、定子、后端盖和罩盖的圆周表面上各选取18个点,每隔20°选取一点作为测点；全约束节点在测量时直接跳过，在定子上选取一个响应较好的固定节点做为三相传感器的测量点,采用移动力锤的方法进行发电机模态测试,力锤沿着径向敲击各测点,每个测点敲击5遍,每遍敲击3次,以减小实验误差。

7.根据权利要求1所述的汽车交流发电机降噪优化设计方法，其特征在于，所述步骤三为：在Hyper Mesh中建立了发电机声学模型,在VirtuaL Lab中模拟发电机的噪声测试环境及测点位置建立半消声室声学仿真环境和以发电机中心为半径的场点，把计算得到的强迫振动响应结果做为边界条件进行声辐射计算,得到发电机在1830Hz、1850Hz和2790Hz下的电磁声辐射结果；对电磁力的不同加载方式下的强迫振动进行声辐射计算,得出不同加载方式下声辐射结果。

8.根据权利要求1所述的汽车交流发电机降噪优化设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括步骤四：计算定子变形和偏心情况下的电磁噪声。