1.2 车用爪极同步电机噪声与振动

爪极电机是一种同步电机形式，由于爪极发电机具有结构简单、制造成本低廉、运行转速范围宽以及可靠性高的优点，目前几乎所有的燃油轿车都采用爪极电机作为车载发电机。图1.6所示为目前汽车上广泛使用的三相12极36槽电励磁爪极发电机，主要由带轮、前后端盖、定子总成、爪极转子总成、整流器和电压调节器等部件组成。其中，定子铁心通过前后端盖夹紧固定，为了减少涡流损耗，爪极发电机的定子铁心由硅钢片叠压而成。转子总成则通过滚珠轴承支撑在前后端盖上，主要由前后爪极、励磁绕组和集电环等部件组成。为了散热，前后端盖上开有通风孔。此外转子上还有散热风扇，其中前风扇有11个叶片，后风扇有10个叶片。

爪极发电机工作时通过电刷和集电环给转子励磁绕组中通入4A左右的直流电，励磁绕组将产生轴向磁通，该轴向磁通经过转子极爪N极转换成径向磁通，该磁通穿过气隙进入定子铁心，然后再穿过气隙进入相邻的转子极爪S极，最后经过转子铁心轭部回到N极，构成闭合回路，具体磁通路径如图1.7所示。同时转子在传动带的拖动下旋转，转子磁场切割定子绕组，从而在定子绕组中感应出三相交变电流，最后经过桥式全波整流电路将定子三相交变电流整流成直流电输出，给蓄电池充电和车载电气设备供电。车用电励磁爪极发电机的工作电路原理图如图1.8所示。

由于汽车运行速度范围宽，发动机与发电机之间的传动比为2.2~3，所以爪极发电机的运行转速范围更宽。为了保证在不同转速下发电机的输出电压能保持相对稳定（因为车载蓄电池的电压是相对稳定的），励磁电流需要通过电压调节器来实时调节：高转速时发电电压较高，此时电压调节器将通过减小开关器件的占空比来减小励磁电流；相反，低转速时将通过增大开关器件的占空比来增大励磁电流，从而保证爪极发电机的输出电压始终稳定在13.5V左右。

图1.6 电励磁爪极发电机结构

图1.7 电励磁爪极发电机磁通路径

图1.8 车用电励磁爪极发电机工作电路原理图

然而爪极发电机也存在显著的缺点：效率低、输出特性差和噪声严重。一方面，由于爪极发电机转子结构的特殊性，其转子极间漏磁严重；另一方面，爪极发电机由发动机曲轴通过传动带带动旋转，传动比为2.2~3。因此爪极发电机始终在高转速下运行，定、转子铁心涡流损耗严重，这些均导致发电机效率低下，发热严重。为了尽可能多地输出电流，爪极发电机通常设计成在高电负荷和高磁负荷下运行，这直接导致爪极发电机电磁振动和噪声严重。同时为了保证散热，爪极发电机的机壳通常设计成半开放式结构，而半开放式的机壳结构降低了发电机整体的刚度，这就进一步加剧了爪极发电机的电磁振动和噪声。

实验测试爪极发电机噪声-转速关系如图1.9所示。除了电磁噪声，爪极发电机运行时还存在机械噪声和气动噪声。前者主要由轴承和电刷等部件产生，主要表现为低阶噪声且幅值小，对整体噪声影响不大，基本可以忽略不计；后者主要由安装在转子上的散热风扇和转子极爪产生，其幅值主要取决于转速，在低转速阶段气动噪声幅值很小，而在高转速阶段气动噪声超过电磁噪声成为爪极发电机最主要的噪声来源。不过此时车速高，整车产生的气动噪声也很大，足以完全淹没爪极发电机的气动噪声，因此高转速阶段爪极发电机的噪声问题并不突出。爪极发电机的噪声问题主要表现为中低转速范围内的电磁噪声。

随着汽车技术的发展和进步，发动机等传统主要噪声源的噪声已经得到了非常有效的控制，由于缺少了发动机噪声的遮蔽效应，爪极发电机已成为汽车的主要噪声源之一，尤其是在中低转速阶段，设计欠佳的爪极发电机容易发出清晰可辨的高频啸叫声，严重影响了整车的噪声性能，因而需要结合车用怠速及低速工况和爪极同步电机特点分析电磁噪声特性和降噪方法。

图1.9 实验测试爪极发电机噪声-转速关系（见彩插）