雷威

中山大洋電機(jī)股份有限公司，廣東中山，528411

0 引言

提供安靜的睡眠環(huán)境是空調(diào)的主要功能之一。電機(jī)作為空調(diào)器的主要部件，噪聲是重要的考量指標(biāo)。對電機(jī)而言，運(yùn)動就會振動，振動就會產(chǎn)生噪聲，噪聲作為電機(jī)的重要考量指標(biāo)之一，一直都是專家學(xué)者們研究的課題。新風(fēng)空調(diào)不僅是空調(diào)行業(yè)的產(chǎn)品策略，更是空調(diào)行業(yè)的品牌戰(zhàn)略。新一代的空調(diào)產(chǎn)品必然帶新風(fēng)功能。由此，未來行業(yè)中需要更多關(guān)于帶新風(fēng)功能空調(diào)的噪聲解決技術(shù)創(chuàng)新。

1 新風(fēng)空調(diào)的新風(fēng)模塊

新風(fēng)空調(diào)最重要的模塊之一就是新風(fēng)模塊。目前新風(fēng)模塊上用得最多的是外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)。外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)主要由蝸殼、風(fēng)輪、外轉(zhuǎn)子電機(jī)組成。外轉(zhuǎn)子電機(jī)在新風(fēng)系統(tǒng)中的新應(yīng)用，面臨噪聲振動的分析少、技術(shù)不成熟、研究文獻(xiàn)及成果少等問題。本文通過常規(guī)的分析手段及電機(jī)的NVH分析，研究外轉(zhuǎn)子電動機(jī)噪聲與振動之間的關(guān)聯(lián)性，從而找到噪聲產(chǎn)生的根源，制定改善措施。振動來源于電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的力，力的大小、振幅、強(qiáng)度等都會對噪聲產(chǎn)生影響[1]。接下來通過一個壁掛新風(fēng)空調(diào)用新風(fēng)機(jī)上所遇到的外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)問題，闡述受力與噪聲的關(guān)系。

2 研究對象

新風(fēng)機(jī)的主要組成包括：蝸殼、風(fēng)輪、外轉(zhuǎn)子電機(jī)。新風(fēng)機(jī)的主要噪聲源就是外轉(zhuǎn)子電機(jī)。如圖1所示。

圖1 新風(fēng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)是旋轉(zhuǎn)體在電動機(jī)外側(cè)的一類風(fēng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是電動機(jī)的定子在電動機(jī)的里面。這類風(fēng)機(jī)具有明顯的優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計精巧、與風(fēng)輪一體化設(shè)計、風(fēng)機(jī)能效做到最優(yōu)。外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)、商用空調(diào)、軌道交通、運(yùn)輸冷凍、機(jī)房空調(diào)、冷凝器、電子設(shè)備散熱等。

3 問題描述

某產(chǎn)品在市面上出現(xiàn)了低檔噪聲，遇到了噪聲問題，利用丹麥B&K噪聲頻譜分析儀測試，其頻譜表現(xiàn)在700rpm狀態(tài)下1615Hz區(qū)域附近有一尖峰。如圖2所示。

圖2 某產(chǎn)品噪聲頻譜分析

同步使用專業(yè)的NVH設(shè)備進(jìn)行掃頻分析，在Colormap云圖下進(jìn)一步確認(rèn)了風(fēng)機(jī)存在140階次的噪聲。在客戶需要使用的空調(diào)睡眠檔700rpm下，140階次的噪聲表現(xiàn)得很明顯。如圖3所示。

圖3 NVH 設(shè)備進(jìn)行掃頻分析

4 改善與驗(yàn)證

針對這個噪聲問題，制定了一系列的改善驗(yàn)證措施，分別從產(chǎn)品電磁、電控、結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析驗(yàn)證。

4.1 改變電機(jī)軸向預(yù)緊力

通過改變部分零部件厚度，包括卡間距、墊片、卡簧、波形等零部件，分別降低和增大電機(jī)軸向預(yù)緊力，測試風(fēng)機(jī)噪聲頻譜，1615Hz附近尖峰無改善[2]。

4.2 改變零部件振動頻率

在定子安裝位、風(fēng)輪組件、蝸殼底板上分別增加阻尼片，測試風(fēng)機(jī)噪聲頻譜，1615Hz附近尖峰無改善。

4.3 改變結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度

通過調(diào)整定子安裝腳壁厚、材料壁厚等方式，調(diào)整電機(jī)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度，測試風(fēng)機(jī)噪聲頻譜，1615Hz附近尖峰無改善。

4.4 其他方式

改變充磁方式、改變電機(jī)氣隙、調(diào)整電動機(jī)軸承室公差等，測試風(fēng)機(jī)噪聲頻譜，1615Hz附近尖峰均無改善。

綜合以上驗(yàn)證，進(jìn)一步通過控制變量和排除法，對換各主要零部件（定子、風(fēng)輪組件、控制器），控制唯一變量情況下對比，如表1，測量多組數(shù)據(jù)后，鎖定此尖峰噪聲來源于電機(jī)風(fēng)輪組件。而風(fēng)輪組件由風(fēng)輪與旋轉(zhuǎn)體整體注塑組成。如圖4所示。

圖4 風(fēng)輪組件

表1 控制變量

鎖定噪聲的尖峰來源之后，重點(diǎn)對風(fēng)輪組件做了進(jìn)一步的分析驗(yàn)證。

4.4.1 改變風(fēng)輪材質(zhì)

通過更改不同的風(fēng)輪材質(zhì)，包括聚丙烯（PP）、ABS樹脂、AS樹脂。其中：PP最輕，密度只有0.91g/m3，而且具有很低的吸水率，成型溫度在160℃～220℃。PP材料也有明顯缺點(diǎn)，尺寸精度較差、剛性較差、耐候性能差，并且存在后收縮特性，產(chǎn)品脫模后，比較容易老化、變脆，結(jié)構(gòu)易變形。ABS樹脂重量次之，密度為1.05g/m3，同樣吸水率較低，成型溫度為180℃～250℃。AS樹脂密度為1.08g/m3，具有出色的耐熱特性和耐溶劑特性。分別將以上三種材質(zhì)用于風(fēng)輪組件的注塑，通過比較不同材質(zhì)成型的風(fēng)輪，測試其噪聲，發(fā)現(xiàn)噪聲尖峰發(fā)生偏移，風(fēng)輪材料與噪聲有一定相關(guān)性。

4.4.2 改變風(fēng)輪結(jié)構(gòu)

通過減少風(fēng)輪葉片數(shù)量，改變輪轂形狀、連接強(qiáng)度等改變風(fēng)輪的噪聲階磁和固有頻率，然而，此方法對1615Hz尖峰沒有產(chǎn)生影響。

4.4.3 調(diào)整風(fēng)輪注塑參數(shù)

通過調(diào)整風(fēng)輪組件注塑的壓力和速度，改變其注塑內(nèi)在應(yīng)力，噪聲發(fā)生了變化，特別是重點(diǎn)關(guān)注的1615Hz附近的尖峰有改善，但效果不穩(wěn)定，尖峰波動明顯。問題分析逐步清晰：改變風(fēng)輪結(jié)構(gòu)并未影響噪聲尖峰的變化。注塑的參數(shù)卻會影響噪聲的1615Hz尖峰，因此，注塑壓力、速度對風(fēng)輪的影響并不是結(jié)構(gòu)上的，而是看不到的因素。風(fēng)輪與旋轉(zhuǎn)體之間的作用力/應(yīng)力正式進(jìn)入問題的分析重點(diǎn)范疇[3]。測試方案如表2所示。

表2 風(fēng)輪組件測試方案

重點(diǎn)分析風(fēng)輪與旋轉(zhuǎn)體之間的作用力。通過對比不同的注塑參數(shù)，測量出不同的噪聲測試結(jié)果，但結(jié)果的穩(wěn)定性依然不合格，噪聲穩(wěn)定性差。由此需要轉(zhuǎn)換思路，從產(chǎn)品設(shè)計方案上解決此問題。前期驗(yàn)證明確了旋轉(zhuǎn)體承受應(yīng)力會對噪聲產(chǎn)生影響，通過設(shè)計方案減小或者避免電機(jī)旋轉(zhuǎn)體承受預(yù)應(yīng)力。將方案改成風(fēng)輪與旋轉(zhuǎn)體完全隔離，裝配部分通過熱鉚端面連接，除鉚接部位外，其余結(jié)構(gòu)區(qū)域不接觸，將風(fēng)輪與旋轉(zhuǎn)體之間的作用力降到最低，風(fēng)輪組件的固有頻率也隨之改變[4]。測試結(jié)果與分析結(jié)果一致，1615Hz附近尖峰完全消失，噪聲得到明顯改善，問題得到解決。如圖5所示。

圖5 噪聲測試

5 理論分析

系統(tǒng)或物體在接收到外部的激勵發(fā)生運(yùn)動時，將會按照特定的頻率產(chǎn)生振動。這個特定的頻率就是系統(tǒng)的固頻率，它與外界的激勵沒有關(guān)系，只是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有屬性。當(dāng)收到外界的激勵時，系統(tǒng)是按固有頻率產(chǎn)生的振動響應(yīng)[5]。固有頻率的計算公式：

其中，f：結(jié)構(gòu)的固有頻率；K：彈性系數(shù)；M：質(zhì)量。

系統(tǒng)或物體的固有頻率受彈性系數(shù)、質(zhì)量的影響，且彈性系數(shù)與物體的剛度有關(guān)。當(dāng)質(zhì)量增大，物體的固有頻率將會降低，當(dāng)剛度增大，物體的固有頻率將會增大。進(jìn)行進(jìn)一步的理論驗(yàn)證，我們進(jìn)行了模態(tài)仿真分析。通過仿真軟件對旋轉(zhuǎn)體施加不同大小的預(yù)應(yīng)力，查看其前10階模態(tài)頻率[6]。查看不同大小預(yù)應(yīng)力下各階模態(tài)的振型，可以看到，在同一階模態(tài)下，其模態(tài)振型圖呈現(xiàn)相同的變化趨勢，在我們所關(guān)注的頻率附近，其模態(tài)振型如圖6所示。但是頻率值有一定差異，施加的預(yù)應(yīng)力越大，其模態(tài)頻率值越低。施加的預(yù)應(yīng)力從0（不施加預(yù)應(yīng)力）、20bar、35bar到45bar第四階，模態(tài)頻率值從1804.2Hz下降到1604.5Hz，下降幅度為12.5%，如圖7所示。

圖6 模態(tài)振型

圖7 模態(tài)頻率

本文所述典型例子，給電動機(jī)旋轉(zhuǎn)體施加預(yù)應(yīng)力后，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)體的剛度減小，固有頻率降低，降低到一定程度，受到電動機(jī)系統(tǒng)激勵，振動放大，振動產(chǎn)生噪聲，作用到空調(diào)整機(jī)負(fù)載上，體現(xiàn)出來噪聲的差異。以上仿真的分析結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果完全一致[7]。

6 結(jié)論

攜帶新風(fēng)模塊的空調(diào)產(chǎn)品是行業(yè)的發(fā)展趨勢，目前行業(yè)中對新風(fēng)模塊的噪聲分析不足。本文通過對壁掛新風(fēng)空調(diào)用新風(fēng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生進(jìn)行方案測試驗(yàn)證及理論分析，充分說明了外轉(zhuǎn)子電動機(jī)的零部件內(nèi)應(yīng)力對風(fēng)機(jī)的噪聲會產(chǎn)生十分重要的影響?？梢?，在分析風(fēng)機(jī)噪聲時，零部件的內(nèi)在應(yīng)力、固有頻率等的影響不能忽視。