某型车用发电机电磁噪声的数值仿真

2017年（第39卷）第10期汽车工程A u to m o tiv e E n g in e e rin g2017(V〇1.39)N〇.10d o i ：10.1956^^j.c h in a s a e.q c g c.2017.10.016某型车用发电机电磁噪声的数值仿真+贺岩松“2,张全周\赵勤2,孔祥杰2(1.重庆大学汽车工程学院，重庆400044; 2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆401120)[摘要]针对某型车用爪极发电机存在的电磁噪声问题，建立了发电机的电磁学有限元模型、动力学有限元模型和声学边界元模型，进行多物理场耦合的数值仿真，获得发电机的电磁力波、振动响应和外部声场噪声等信息。

对比仿真与实验分别得到的测试半球面上的平均声压级，发现两者吻合较好，说明该数值仿真方法具有较高的精度。

最终结果表明，发电机后端盖无支耳一侧的36阶振动是引起电磁噪声的主要原因，为车用发电机的电磁噪声控制提供了参考。

关键词：车用发电机；电磁噪声；多物理场耦合仿真;噪声源识别N u m e r i c a l S i m u l a t i o n o n t h e E l e c t r o m a g n e t i c N o is e o f a V e h i c l e A l t e r n a t o rH e Y a n s o n g1，2,Z h a n g Q u a n z h o u1,Z h a o Q in2 &K o n g X ia n g jie21. School of Automotive Engineering, Chongqing University，Chongqing400044;2. State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology，Chongqing401120[A b s t r a c t]A im in g at the e xistin g electrom agnetic noise issue of a ve h ic le cla w-p o le a lte rn a to r，the electro­m agnetic fin ite elem ent (F E)m o d e l，dynam ics FE m odel and the acoustic boundary elem ent m odel of a lte rn a to r are b u ilt to conduct a m u lti-p h y s ic a l-fie ld co u p lin g n u m e rica l s im u la tio n，w ith the in fo rm a tio n on the electrom agnetic force w a v e，v ib ra tio n response and e xte rio r acoustic noise fie ld of a lte rn a to r o b ta in e d.The com parison on the average sound pressure le v e l on the testing sem i-sphe rica l surface obtained from sim u la tio n and experim ent show that both results agree w e ll w ith each o th e r，dem onstrating the h igh accuracy of the nu m e ric a l sim u la tio n scheme adopted.The fin a l results in d ic a te that the m ain source of the electrom agnetic noise of a lte rn a to r is the 36th o rd er v ib ra tio n of the side w ith o u t lu g of its rear-end c o v e r，p ro v id in g references fo r the electrom agnetic noise co n tro l of ve h ic le a lte rn a to r.K e y w o r d s：v e h ic le a lt e r n a t o r；e le c tro m a g n e tic n o is e；m u lt i-p h y s ic a l-fie ld c o u p lin g s im u la tio n；noise so u rc e id e n tific a tio n刖言汽车在中、低速行驶时的主要噪声源是发动机。

但是在起步、怠速等工况下，发动机的噪声并不显 著,而车用发电机会发出一种高频的电磁啸叫，这对 汽车的乘坐舒适性有很大影响。

因此，很有必要对 发电机的电磁噪声进行研究。

电机气隙磁场中的电磁力波作用在定子齿尖 上,使电机发生结构振动，进而向外辐射电磁噪声。

它涉及到电磁学、振动学和声学等多个物理场。

为 对其进行预测，需要建立电机的电磁学模型、动力 学模型和声学模型，用以计算电机气隙磁场中的电 磁力波和电机的结构振动，并最终得到电机外部声 场的噪声信息[|]。

上述的电磁学模型、动力学模 型和声学模型皆可通过解析的方法建立[2-3]，解析 模型能较好地识别电机电磁力波、结构振动和外部 声场噪声频率，但在预测以上物理量的幅值时精度 较差。

随着计算机技术的发展，有限元（F E M)和 边界元（B E M)等数值仿真方法应用于电机电磁噪*国家自然科学基金(51275540)和汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室项目（Q145615)资助。

原稿收到日期为2016年9月12日，修改稿收到日期为2016年11月16日。

通信作者:贺岩松，教授，博士生导师，E-m a il:h5$@c m e.c q u.e d u.c n 。

2017(V〇1.39)N〇.10贺岩松，等:某型车用发电机电磁噪声的数值仿真•1199.声的预测。

数值仿真方法对电机结构的复杂性进 行了充分考虑，并能对电机电磁力波、结构振动和 外部声场噪声的幅值和频率进行较为准确的预测[1，4_8]。

但以上研究对象多为感应电机和同步电 机等传统电机，有关车用发电机（爪极电机）的研 究相对较少。

不同于传统的2D电机，爪极电机由 于存在爪极，其结构具有明显的3D特征，在进行 数值仿真时必须建立3D模型。

部分学者对爪极电机的电磁场和结构振动进行了研究[9_12]，但从电 磁、振动和声学角度对其电磁噪声进行系统研究的 文献相对缺乏。

本文中将针对某型车用发电机（爪极电机），建立其3D电磁学模型、动力学模型和声学模型，并在此基础上，采用多物理场（电磁、振动、声学）耦合的数值仿真方法，以3 000r/m i n工况为例，对 其电磁噪声进行研究，并通过实验对数值仿真结果 进行验证。

1数值仿真方法介绍为预测车用发电机的电磁噪声，须建立其电磁 学模型、动力学模型和声学模型，用以计算电机气隙 磁场中的电磁力波和电机的结构振动，并最终获得 电机外部声场的噪声信息。

发电机电磁噪声的数值 仿真涉及电磁学、振动学和声学等多个物理场，且各 物理场之间存在紧密的联系，因此称其为多物理场 耦合仿真。

车用发电机电磁噪声多物理场耦合仿真的流程 如图1所示。

首先，借助电磁仿真软件A_f t，建立 发电机的3D电磁学有限元模型，以电流或电压激励图1多物理场耦合仿真流程尖上的电磁力波。

其次，利用A n s y s软件，建立发电 机的3D动力学有限元模型，并以作用在定子齿尖上 的电磁力波作为激励对其进行动力学仿真，求解发 电机结构的振动响应。

最后，在V irtu a l L a b中，建立 发电机的声学边界元模型，并以发电机外表面的振 动位移作为边界条件对其进行声学仿真，求解发电 机外部声场的噪声信息。

2多物理场耦合仿真2.1电磁学仿真电机气隙磁场中的电磁力波是引起其电磁噪声 的根源，这里进行电磁学仿真的目的是求解作用在 定子齿尖的电磁力波。

建立发电机的电磁有限元模 型，如图2所示。

图2电磁有限元模型采用麦克斯韦应力张量法，计算电磁力密度的 径向分量P r和切向分量^(轴向分量为零）：P r ―1-(B r2-B t2)(1) >0P t=丄 B rB t(2) 10式中：P为电磁力密度；B为气隙磁密；为空气的 磁导率;下标r和t分别表示径向分量和切向分量。

在定子齿尖面上，对式（1)和式（2)中得到的电 磁力密度进行积分，求得作用在定子齿尖上的电磁 力波。

在A n s o ft软件中，采用时步有限元法可得到 电磁力波的时域曲线，如图3所示。

但动力学仿真 中需要以频域形式的电磁力波作为输人，故对上述 时域数据进行F F T变换，得到电磁力波的频谱，如图 4所示。

2.2动力学仿真动力学仿真是联系电磁学仿真与声学仿真的纽• 1200 •汽车工程2017年（第39卷）第10期I~I~||~|~' 1~11~|~11~1~1I-11~1~■16 8 10 12 14时间/ms图3电磁力波时域曲线带。

它以电磁学仿真中得到的电磁力波作为输人，求解电机的结构振动响应;并以此作为后续声学仿 真的边界条件，以便求解电机外部声场的噪声信息。

动力学仿真的基础方程为W lx+Cx+Kx=F(3) 式中:M，C和反分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度 矩阵;x为位移矢量;F为力矢量。

以作用在定子齿尖上的电磁力波作为输人，也 即力矢量F为已知量，要求解电机的位移矢量x，还 需知道电机的质量矩阵M、阻尼矩阵C和刚度矩阵 K。

电机的质量矩阵M是显而易见的;在仿真中将 电机各阶模态的阻尼比设为2%，也即阻尼矩阵C 为已知量;则问题的关键就在于电机刚度矩阵K的确定。

电机的刚度矩阵K与电机中各部件的接触状 态密切相关。

车用发电机（爪极电机）与以往的电 机结构有所不同，其定子被包裹在前、后端盖之间，它们之间的接触状态对电机的刚度矩阵有很大影 响。

此外，因定子绕组的结构相对复杂，若直接建立 定子绕组的模型进行仿真，难度较大;这里将定子绕 组简化成嵌放在定子槽内的分离铜块[13]，并根据仿 真与模态实验结果不断调整更新简化后定子绕组的 杨氏模量，直至仿真与实验结果相吻合。