翁基明

摘 要：隨著全球能源局勢(shì)的日益緊張，生態(tài)環(huán)境不斷地發(fā)生惡化，汽車行業(yè)與這兩個(gè)方面息息相關(guān)。因此全世界汽車行業(yè)積極探索的重點(diǎn)是新能源汽車的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，新能源汽車的發(fā)展也帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，新能源汽車的發(fā)展也受到了政府的鼓勵(lì)和支持。本文就新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了研究，并提出了幾點(diǎn)改進(jìn)措施。從而改善新能源汽車散熱風(fēng)扇振動(dòng)技術(shù)，進(jìn)一步降低了新能源汽車使用風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；電池散熱風(fēng)扇；軸向振動(dòng)研究

新能源汽車中的核心部件是蓄電池，而蓄電池本身的內(nèi)阻會(huì)在充電過(guò)程中產(chǎn)生熱能，導(dǎo)致蓄電池溫度上升其內(nèi)的電解液也會(huì)氣化，潛伏著爆炸的危險(xiǎn)，因此在新能源汽車的制造中，電池散熱風(fēng)扇的存在至關(guān)重要，但是，新能源汽車電池散熱風(fēng)扇在應(yīng)用過(guò)程極易發(fā)生振動(dòng)特別是軸向振動(dòng)，為散熱風(fēng)扇正常工作增加了負(fù)擔(dān)，因此采取適當(dāng)措施改進(jìn)新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的軸向振動(dòng)問(wèn)題是新能源汽車應(yīng)用過(guò)程中的首要任務(wù)。

一、新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動(dòng)原因

一般來(lái)說(shuō)，新能源汽車中散熱風(fēng)扇是由電機(jī)、減振結(jié)構(gòu)、法蘭盤和外轉(zhuǎn)子葉輪等組成，在這些零件中，風(fēng)輪和轉(zhuǎn)子是聯(lián)合工作的，風(fēng)輪和轉(zhuǎn)子共同形成整體的電機(jī)外轉(zhuǎn)子葉輪，無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸上固定著新能源汽車電池散熱風(fēng)扇，首先軸向輸出信號(hào)有傳感器傳遞給控制器，再由脈沖寬度調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，葉輪也持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生氣流達(dá)到散熱電池的效果。[1]

通過(guò)分析新能源散熱風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)原理，主要有直流無(wú)刷電機(jī)的各種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和整體式外轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡兩種方式影響散熱風(fēng)扇軸向振動(dòng)。首先直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)包括齒槽脈動(dòng)、換相脈動(dòng)兩種。齒槽電樞和永磁體磁場(chǎng)相互作用形成了齒槽轉(zhuǎn)矩，又因?yàn)樵陔姌欣@組開(kāi)路計(jì)算時(shí)，可用機(jī)電能量轉(zhuǎn)換中的計(jì)算方法，當(dāng)電機(jī)磁場(chǎng)能量相對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的倒數(shù)已知時(shí)可得當(dāng)磁勢(shì)諧波、磁導(dǎo)諧波次數(shù)一樣時(shí)，直流無(wú)刷電機(jī)在進(jìn)行齒槽脈動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生力矩。這種情況下，轉(zhuǎn)子工作頻率是新能源汽車電池散熱風(fēng)扇樣機(jī)的直流無(wú)刷電機(jī)齒槽脈動(dòng)頻率的十二分之一；由直流無(wú)刷電機(jī)換相時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可得當(dāng)電機(jī)端電壓是電樞相繞組電勢(shì)穩(wěn)態(tài)值的四倍時(shí)，轉(zhuǎn)距不變，當(dāng)電機(jī)端電壓大于電樞相繞組電勢(shì)穩(wěn)態(tài)值的四倍時(shí)，轉(zhuǎn)距增大，反之減少，由此可知換相時(shí)電流會(huì)發(fā)生脈動(dòng)，并根據(jù)電機(jī)換相時(shí)的電流脈動(dòng)頻率可得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的工作效率是新能源汽車電池散熱風(fēng)扇樣機(jī)中直流無(wú)刷電機(jī)換相脈動(dòng)頻率的十二分之一。

其次，由于新能源汽車中電池散熱風(fēng)扇整體式外轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量大，有41片，所以在制造過(guò)程中極易產(chǎn)生差錯(cuò)從而導(dǎo)致外轉(zhuǎn)子偏離引起風(fēng)扇振動(dòng)，如在裝配過(guò)程中葉輪孔和旋轉(zhuǎn)軸的誤差、葉輪內(nèi)圈上緊密貼合的磁軛加工分布不平、本身制造葉片的差錯(cuò)等，由葉輪工作時(shí)的轉(zhuǎn)速除以60可得葉輪等外轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡所引起的振動(dòng)頻率。

二、新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動(dòng)改進(jìn)

根據(jù)測(cè)試新能源電池散熱風(fēng)扇的軸向振動(dòng)規(guī)律可得散熱風(fēng)扇在不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其產(chǎn)生的振動(dòng)頻率幅度也有所變化，結(jié)合上述直流無(wú)刷電機(jī)換相時(shí)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式得出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)工作頻率的確是散熱風(fēng)扇電機(jī)中換相脈動(dòng)和齒槽脈動(dòng)頻率的十二分之一，進(jìn)一步確定了電機(jī)的換相脈動(dòng)和齒槽脈動(dòng)是影響散熱風(fēng)扇軸向振動(dòng)的主要因素。[2]然后根據(jù)新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的原理通過(guò)等效阻尼和彈簧系統(tǒng)兩個(gè)部分進(jìn)行分析，新能源汽車電池散熱風(fēng)扇在運(yùn)行使出現(xiàn)的軸向振動(dòng)可視為單自由度受迫振動(dòng)，又其振幅和相位的運(yùn)算公式可得當(dāng)干擾力圓周率與風(fēng)扇自振圓周率相等時(shí)，振動(dòng)加大并發(fā)生共振，當(dāng)時(shí)系統(tǒng)振動(dòng)會(huì)在風(fēng)扇自振圓周率小于干擾力圓周率的二分之一時(shí)大大減小。因此新能源汽車電池?zé)犸L(fēng)扇減振結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，可以使風(fēng)扇振動(dòng)減小。

（1）直流無(wú)刷電機(jī)改進(jìn)，針對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的齒槽脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題，最便捷有效的方法是可以進(jìn)行定子齒面開(kāi)槽，由上述原理可得散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)矩次數(shù)為十二處在電機(jī)齒面槽數(shù)為一時(shí)；而當(dāng)齒面增加一個(gè)槽數(shù)時(shí)，散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)矩次數(shù)就變?yōu)槿?，齒槽脈動(dòng)周期增加諧波次數(shù)增加，但是諧波幅度下降，由此可以推論散熱風(fēng)扇脈動(dòng)次數(shù)與振動(dòng)幅度成負(fù)相關(guān)，因此可以進(jìn)行齒面開(kāi)槽來(lái)降低直流無(wú)刷電機(jī)齒槽脈動(dòng)，從而降低新能源電池散熱風(fēng)扇的軸向振動(dòng)幅度。

（2）減振墊改進(jìn)，一般來(lái)說(shuō)，新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的減振墊結(jié)構(gòu)是階梯圓柱狀的，內(nèi)中心和電機(jī)線架之間有三個(gè)減震墊相連，減振蓋于法蘭盤底座之間則是由螺絲固定連接，實(shí)際運(yùn)用證明這種結(jié)構(gòu)會(huì)加劇電池散熱風(fēng)扇的軸向振動(dòng)幅度，針對(duì)這種情況可對(duì)電池散熱風(fēng)扇減振墊結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的改進(jìn)，在不改動(dòng)減震墊本身材質(zhì)的前提下，將散熱風(fēng)扇的減振墊結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定改進(jìn)，散熱風(fēng)扇的三個(gè)減振墊通過(guò)內(nèi)中心之后再與電機(jī)線架進(jìn)行連接，每個(gè)減震墊上端的外圓面也應(yīng)該配合法蘭盤底座的三個(gè)圓柱孔，通過(guò)測(cè)試散熱風(fēng)扇中直流無(wú)刷電機(jī)換相脈動(dòng)和齒槽脈動(dòng)在減振前后的功率變化可得出通過(guò)改善散熱風(fēng)扇減振結(jié)構(gòu)不止在低轉(zhuǎn)速時(shí)可使直流無(wú)刷電機(jī)的換相脈動(dòng)和齒槽脈動(dòng)的功率譜幅，同時(shí)在高轉(zhuǎn)速時(shí)也可以有效降低散熱風(fēng)扇的齒槽脈動(dòng)和換相脈動(dòng)總功率。[2]

三、總結(jié)

由新能源汽車的電池散熱風(fēng)扇結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分析散熱風(fēng)扇中的直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是影響新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動(dòng)的主要因素，可通過(guò)改善散熱風(fēng)扇的減振結(jié)構(gòu)有效降低散熱風(fēng)扇的直流無(wú)刷電機(jī)換相脈動(dòng)和齒槽脈動(dòng)總功率，而齒面開(kāi)槽也可以有效抑制直流無(wú)刷電機(jī)的齒槽脈動(dòng)，從而進(jìn)一步降低新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的軸向振動(dòng)幅度，提高了新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的可靠性和節(jié)能環(huán)保性。

參考文獻(xiàn)：

[1]任金波，張翔，施火結(jié).新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動(dòng)分析與改進(jìn)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，38（4）：25-29.

[2]謝先宇，陸珂?zhèn)? 新能源汽車用動(dòng)力電池系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)研究[J].上海汽車， 2014（5）：2-6.