任金波,張 翔,施火結(jié)

(福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,福建 福州 350002)

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動分析與改進(jìn)

任金波,張 翔,施火結(jié)

(福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,福建 福州 350002)

針對福州某公司新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動較大的問題，研究了散熱風(fēng)扇系統(tǒng)的減振技術(shù)。分析了影響風(fēng)扇軸向振動的因素，采用INV3160型智能信號采集儀和數(shù)據(jù)采集分析(DASP)軟件對風(fēng)扇樣機(jī)進(jìn)行了振動測試試驗，得出影響風(fēng)扇軸向振動的最大因素是直流無刷電機(jī)的換相脈動和齒槽脈動。對風(fēng)扇減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，對外轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行齒面開槽，并通過試驗對改進(jìn)前后的結(jié)果進(jìn)行對比。試驗結(jié)果表明：改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)后，在低轉(zhuǎn)速時，直流無刷電機(jī)的換相脈動和齒槽脈動總的功率譜幅值可降低50%以上；齒面開槽后，軸向振動的諧波幅值下降幅度達(dá)45.8%，可有效減小直流無刷電機(jī)的高頻轉(zhuǎn)矩脈動對風(fēng)扇振動的影響。

新能源汽車；電池散熱風(fēng)扇；振動；減振

0 引言

蓄電池是新能源汽車中油電混合動力汽車和純電動汽車的核心部件，在大電流工作或充電的過程中，會因電池內(nèi)阻而產(chǎn)生大量的熱能，從而引起蓄電池溫度快速升高和電解液的氣化，導(dǎo)致蓄電池爆炸而產(chǎn)生危險。因而，需要采用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制散熱以抑制蓄電池在新能源汽車行駛或充電過程中升溫。減振降噪是風(fēng)扇在工程應(yīng)用中急需解決的關(guān)鍵問題之一,國內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了較多研究。文獻(xiàn)[1-4]采用改變扇葉的形狀和角度等方法來降低汽車風(fēng)扇噪聲。文獻(xiàn)[5]通過改變消聲器的結(jié)構(gòu)，來提高消聲性能，從而達(dá)到降低汽車空調(diào)連接管噪聲的目的。文獻(xiàn)[6]提出通過重構(gòu)氣隙磁密波形來降低噪聲的方法。文獻(xiàn)[7]研究了抑制電動汽車用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的方法。

以往對風(fēng)扇減振降噪的研究，多基于一般汽車的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)，對新能源汽車電池散熱方面的研究，目前主要集中在電池的熱效應(yīng)，對風(fēng)扇具體工程案例的研究還較少。本文以福州某公司專為奇瑞汽車在研車型A21ISG油電混合汽車所設(shè)計的電池散熱風(fēng)扇為例，提高了現(xiàn)有風(fēng)扇樣機(jī)產(chǎn)品的可靠性、舒適性和節(jié)能環(huán)保性能，通過理論分析和振動測試得到了影響風(fēng)扇軸向振動的最大因素，對風(fēng)扇減振結(jié)構(gòu)和電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，并通過試驗對比驗證改進(jìn)效果。

1 風(fēng)扇整體結(jié)構(gòu)和工作原理

以福州某公司專為奇瑞汽車在研車型A21ISG油電混合汽車所設(shè)計的電池散熱風(fēng)扇為例，新能源汽車電池散熱風(fēng)扇樣機(jī)如圖1所示。風(fēng)扇機(jī)械部分主要由整體式外轉(zhuǎn)子葉輪、電機(jī)、減振結(jié)構(gòu)和法蘭盤底座等部件組成。其中，風(fēng)輪與轉(zhuǎn)子不是兩個獨(dú)立的零件，而是將電機(jī)外轉(zhuǎn)子的磁軛簡化為一個簡單的套筒，然后以緊配合的方式壓入風(fēng)輪，共同形成整體式的電機(jī)外轉(zhuǎn)子風(fēng)輪。電池散熱風(fēng)扇外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和車用空調(diào)直流無刷風(fēng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一致[8]。

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的葉輪固裝于無刷電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)軸上，電池散熱風(fēng)扇的工作原理如圖2所示。傳感器將采集到的軸向輸出信號傳送給控制器，經(jīng)脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)后，驅(qū)動控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)從而帶動葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，達(dá)到給電池組送風(fēng)散熱的目的。

圖1 新能源汽車電池散熱風(fēng)扇樣機(jī)圖2 電池散熱風(fēng)扇的工作原理

2 軸向振動原因分析

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇振動的原因復(fù)雜，軸向振動、徑向振動、扭擺振動等均為常見的振動形式。根據(jù)風(fēng)扇樣機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，影響樣機(jī)軸向振動的主要因素有整體式外轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡和直流無刷電機(jī)的各種轉(zhuǎn)矩脈動。

2.1 整體式外轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

電池散熱風(fēng)扇整體式外轉(zhuǎn)子葉輪有41片葉片，制造誤差導(dǎo)致的葉片分布不均勻，葉輪孔和旋轉(zhuǎn)軸在裝配過程中存在的裝配誤差，葉輪內(nèi)圈上緊密貼合的磁軛加工誤差及分布不均等，都會造成外轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心，從而引起風(fēng)扇振動。葉輪等外轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的振動頻率分量[9]為：

(1)

其中：f為外轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡時的振動頻率，Hz;n為葉輪工作時轉(zhuǎn)速，r/min。

2.2 直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動

2.2.1 換相脈動

直流無刷電機(jī)換相時電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式[10]為：

(2)

其中：Te為直流無刷電機(jī)換相脈動時的電磁轉(zhuǎn)矩，N·mm;E為電樞相繞組電勢的穩(wěn)態(tài)值，V；ωm為機(jī)械角速度，rad/s；I為各相電流的穩(wěn)態(tài)值，A；V為電機(jī)端電壓，V；L為定子繞組等效自感，mH；M為定子繞組等效互感，mH；t為換相時間，ms。

因此，換相時電流會發(fā)生脈動，設(shè)電機(jī)相數(shù)為k，對極數(shù)為p，電機(jī)換相時的電流脈動頻率為：

(3)

樣機(jī)的直流無刷電機(jī)參數(shù)k=3，p=2，根據(jù)式(3)可知，風(fēng)扇樣機(jī)中直流無刷電機(jī)的換相脈動頻率為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時工作頻率的12倍。

2.2.2 齒槽脈動

齒槽轉(zhuǎn)矩是由于齒槽電樞鐵芯和永磁體磁場相互作用形成的。根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換中的能量方法，電樞繞組開路計算時，齒槽轉(zhuǎn)矩可由電機(jī)磁場能量相對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的導(dǎo)數(shù)[11-15]求得：

(4)

(5)

B(θ,θ0,l)=Λ(θ)F(θ,θ0,l)；

(6)

(7)

其中：T為直流無刷電機(jī)的齒槽脈動轉(zhuǎn)矩，N·mm;Wd為電機(jī)磁場能量，W；θ0為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，rad；θ為電樞周向坐標(biāo)，rad；l為軸向坐標(biāo)，mm；B為等效氣隙磁密，T；g為氣隙長度，mm；Dd為電樞直徑，mm；ha為磁鋼厚度，mm；μ0為真空磁導(dǎo)率；F(θ，θ0，l)為磁鋼磁勢，A。

將式(7)代入式(5)可得：

(8)

式(8)經(jīng)過傅里葉變換后得：

(9)

(10)

其中：p為極對數(shù)；Q為風(fēng)扇中電機(jī)定子槽數(shù)；Λt為第t次磁導(dǎo)諧波幅值，V；fv為第v次磁勢諧波幅值，V；v為磁勢諧波的次數(shù)。將式(9)和式(10)代入式(5)得：

(11)

由式(11)可知：當(dāng)磁勢諧波、磁導(dǎo)諧波具有相同次數(shù)時，會導(dǎo)致直流無刷電機(jī)的齒槽脈動，且產(chǎn)生力矩，此時：

(12)

其中：n、β為Q和2p的公倍數(shù)，是齒槽轉(zhuǎn)矩的次數(shù)。

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇樣機(jī)中電機(jī)齒槽數(shù)Q為6，極數(shù)2p為4，其最小公倍數(shù)為12，可知風(fēng)扇樣機(jī)中直流無刷電機(jī)齒槽脈動頻率為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時工作頻率的12倍。

3 軸向振動測試

將新能源電池散熱風(fēng)扇置于振動試驗臺上，啟動風(fēng)扇，從1 200 r/min的正常工作轉(zhuǎn)速開始加速，轉(zhuǎn)速每增加100 r/min測量一次風(fēng)扇軸向振動信號，直至達(dá)到最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min時結(jié)束。測試信號經(jīng)DLF-4型放大器放大、INV3160型智能信號采集儀低通濾波采樣后，用數(shù)據(jù)采集分析(data acquisition and signal processing,DASP)軟件對振動信號進(jìn)行分析處理，得到風(fēng)扇在各穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的功率譜。風(fēng)扇以1 600 r/min和 2 000 r/min的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時,測試的軸向功率譜分別如圖3和圖4所示。

圖3 軸向功率譜(1600r/min)圖4 軸向功率譜(2000r/min)

由圖3和圖4可知：當(dāng)風(fēng)扇以1 600 r/min的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時，在320 Hz頻率分量處，軸向的功率譜有較大的幅值；當(dāng)風(fēng)扇以2 000 r/min的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時，在400 Hz頻率分量處出現(xiàn)較大幅值，表明在320 Hz和400 Hz頻率分量處，風(fēng)扇的振動較大。經(jīng)過計算可知：該頻率分量均為軸向振動測試時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時工作頻率的12倍。上文在分析影響風(fēng)機(jī)軸向振動的因素時，同樣得出電機(jī)中換相脈動和齒槽脈動的頻率為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時工作頻率的12倍。因此，影響風(fēng)扇軸向振動的主要原因確定為電機(jī)的換相脈動和齒槽脈動。

圖5 風(fēng)扇軸向振動時的時域波形

為進(jìn)一步驗證測試試驗和結(jié)論的正確性，用示波器測試風(fēng)扇軸向振動時的時域波形，如圖5所示。圖5中：實測波形T1通道顯示外轉(zhuǎn)子周期；T2通道顯示外轉(zhuǎn)子的軸向齒槽脈動波形。從圖5中可以看出：實測的諧波次數(shù)為12，與理論值轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時工作頻率的12倍一致，并與功率譜圖的分析相符。

4 減振試驗

根據(jù)新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，可將其減振部分視為等效阻尼和彈簧系統(tǒng)，將整體式電機(jī)外轉(zhuǎn)子風(fēng)輪等效為總體質(zhì)量。當(dāng)風(fēng)扇運(yùn)行時，受外界激振力的作用，可能出現(xiàn)軸向振動、徑向振動和扭擺振動，本文主要研究其軸向振動。在激振力作用下，軸向振動可簡化為單自由度受迫振動，其振幅和相位[16]分別為：

(13)

(14)

其中：A為單自由度振動的振幅，mm;F0為激振力，N；k為剛度系數(shù)，N·mm-1；δ為阻尼系數(shù),N·s·mm-1；ω0為干擾力圓頻率，rad/s；ω為風(fēng)扇自振圓頻率，rad/s；φ為相位角，rad。當(dāng)ω=ω0時，振動加大，系統(tǒng)發(fā)生共振；當(dāng)ω<ω0/2時,系統(tǒng)振動將會大大減小。

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的驅(qū)動采用直流無刷電機(jī)，但直流無刷電機(jī)普遍存在轉(zhuǎn)矩脈動問題，如換相脈動和齒槽脈動。定子齒面開槽是降低直流無刷電機(jī)齒槽脈動較簡單有效的方法。開槽時，槽面沿定子齒均勻分布。當(dāng)電機(jī)齒面開1個槽時,其基本齒槽轉(zhuǎn)矩次數(shù)為12次；電機(jī)齒面開2個槽時，基本齒槽轉(zhuǎn)矩次數(shù)變?yōu)?6次，脈動次數(shù)增加，幅值隨之下降。考慮新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，本文主要通過改進(jìn)風(fēng)扇的減振結(jié)構(gòu)，從而改變頻率和齒面開槽來減小風(fēng)機(jī)振動。

圖6 散熱風(fēng)扇改進(jìn)前減振墊結(jié)構(gòu)

4.1 改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇改進(jìn)前減振墊呈階梯圓柱狀結(jié)構(gòu)，如圖6所示。采用3個減振墊通過內(nèi)中心孔與電機(jī)線架相連接，然后用螺釘通過減振蓋與法蘭盤底座固聯(lián)在一起。

通過多次試驗，將風(fēng)扇現(xiàn)有的3個階梯圓柱狀減振墊改為夾心式圓柱狀，減振材料不變。3個減振墊通過內(nèi)中心孔與電機(jī)線架相連接，上端外圓面與法蘭盤底座上的3個圓柱孔配合。改進(jìn)后的減振墊結(jié)構(gòu)及安裝位置如圖7所示。4.2 試驗對比

改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)后，再次將風(fēng)扇置于測試臺，測試風(fēng)扇中直流無刷電機(jī)換相脈動和齒槽脈動在減振前后的功率譜，軸向振動信號經(jīng)采樣處理分析后得到換相脈動和齒槽脈動總的功率譜，如圖8所示。從圖8中可以看出：當(dāng)風(fēng)扇改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)后，在低轉(zhuǎn)速時直流無刷電機(jī)的換相脈動和齒槽脈動總的功率譜幅值有極大降低，降幅可達(dá)50%以上。在2 300 r/min以上高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，換相脈動和齒槽脈動總的功率譜基本呈無波動近直線狀態(tài)，且幅值和零點(diǎn)較接近，說明改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)后風(fēng)扇的軸向振動進(jìn)一步降低。

圖7 散熱風(fēng)扇改進(jìn)后的減振墊結(jié)構(gòu)及安裝位置圖8 改進(jìn)前后的換相脈動和齒槽脈動總的功率譜

4.3 齒面開槽

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇中，電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，對外轉(zhuǎn)子電機(jī)齒面開槽，如圖9所示。當(dāng)電機(jī)外齒面開2個矩形凹槽(槽寬2 mm，槽深1 mm)后，測試得到風(fēng)扇軸向振動的時域波形，如圖10所示。由圖5和圖10可以看出：電機(jī)齒面開槽后，齒槽脈動周期增加，諧波次數(shù)倍增，周期內(nèi)變?yōu)?6次。諧波幅值從 830 mV下降到450 mV,較齒面開槽前下降幅度達(dá)45.8%，表明齒面開槽對抑制直流無刷電機(jī)的齒槽脈動有較好效果。

圖9 外轉(zhuǎn)子電機(jī)齒面開槽圖10 電機(jī)齒面開槽后的風(fēng)扇軸向振動時域波形

5 結(jié)論

(1)根據(jù)新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過理論分析和振動測試得出，影響新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動的主要因素為風(fēng)扇中直流無刷電機(jī)的換相脈動和齒槽脈動。

(2)改進(jìn)風(fēng)扇的減振結(jié)構(gòu)后，低轉(zhuǎn)速時直流無刷電機(jī)的換相脈動和齒槽脈動總的功率譜幅值降低達(dá)50%以上，高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下幅值可進(jìn)一步降低。

(3)外轉(zhuǎn)子電機(jī)齒面開槽后，軸向振動的諧波幅值較開槽前下降幅度達(dá)45.8%，表明齒面開槽對抑制直流無刷電機(jī)的齒槽脈動有較好效果。

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福建省科技廳高校產(chǎn)學(xué)研重大專項基金項目(2011H6004);福建省教育廳專業(yè)改革基金項目(1114S1205);福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)械工程學(xué)科整體學(xué)科水平提升計劃基金項目(612014049)

任金波(1982-),男,湖北隨州人,實驗師,博士生,主要研究方向為機(jī)械振動和優(yōu)化設(shè)計;張翔(1957-),男,通信作者,福建福州人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為現(xiàn)代設(shè)計方法和優(yōu)化.

2016-11-21

1672-6871(2017)04-0025-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.04.006

TH113.1

A