电机转子内应力对噪声的影响分析

2022-02-24雷威

新型工业化 2022年12期

雷威

中山大洋电机股份有限公司，广东中山，528411

0 引言

提供安静的睡眠环境是空调的主要功能之一。电机作为空调器的主要部件，噪声是重要的考量指标。对电机而言，运动就会振动，振动就会产生噪声，噪声作为电机的重要考量指标之一，一直都是专家学者们研究的课题。新风空调不仅是空调行业的产品策略，更是空调行业的品牌战略。新一代的空调产品必然带新风功能。由此，未来行业中需要更多关于带新风功能空调的噪声解决技术创新。

1 新风空调的新风模块

新风空调最重要的模块之一就是新风模块。目前新风模块上用得最多的是外转子风机。外转子风机主要由蜗壳、风轮、外转子电机组成。外转子电机在新风系统中的新应用，面临噪声振动的分析少、技术不成熟、研究文献及成果少等问题。本文通过常规的分析手段及电机的NVH分析，研究外转子电动机噪声与振动之间的关联性，从而找到噪声产生的根源，制定改善措施。振动来源于电动机运转过程中产生的力，力的大小、振幅、强度等都会对噪声产生影响[1]。接下来通过一个壁挂新风空调用新风机上所遇到的外转子风机问题，阐述受力与噪声的关系。

2 研究对象

新风机的主要组成包括：蜗壳、风轮、外转子电机。新风机的主要噪声源就是外转子电机。如图1所示。

图1 新风机的主要结构

外转子风机是旋转体在电动机外侧的一类风机。其结构特点是电动机的定子在电动机的里面。这类风机具有明显的优势：结构紧凑、设计精巧、与风轮一体化设计、风机能效做到最优。外转子风机广泛应用于家用空调、商用空调、轨道交通、运输冷冻、机房空调、冷凝器、电子设备散热等。

3 问题描述

某产品在市面上出现了低档噪声，遇到了噪声问题，利用丹麦B&K噪声频谱分析仪测试，其频谱表现在700rpm状态下1615Hz区域附近有一尖峰。如图2所示。

图2 某产品噪声频谱分析

同步使用专业的NVH设备进行扫频分析，在Colormap云图下进一步确认了风机存在140阶次的噪声。在客户需要使用的空调睡眠档700rpm下，140阶次的噪声表现得很明显。如图3所示。

图3 NVH 设备进行扫频分析

4 改善与验证

针对这个噪声问题，制定了一系列的改善验证措施，分别从产品电磁、电控、结构上进行分析验证。

4.1 改变电机轴向预紧力

通过改变部分零部件厚度，包括卡间距、垫片、卡簧、波形等零部件，分别降低和增大电机轴向预紧力，测试风机噪声频谱，1615Hz附近尖峰无改善[2]。

4.2 改变零部件振动频率

在定子安装位、风轮组件、蜗壳底板上分别增加阻尼片，测试风机噪声频谱，1615Hz附近尖峰无改善。

4.3 改变结构件强度

通过调整定子安装脚壁厚、材料壁厚等方式，调整电机结构件的强度，测试风机噪声频谱，1615Hz附近尖峰无改善。

4.4 其他方式

改变充磁方式、改变电机气隙、调整电动机轴承室公差等，测试风机噪声频谱，1615Hz附近尖峰均无改善。

综合以上验证，进一步通过控制变量和排除法，对换各主要零部件（定子、风轮组件、控制器），控制唯一变量情况下对比，如表1，测量多组数据后，锁定此尖峰噪声来源于电机风轮组件。而风轮组件由风轮与旋转体整体注塑组成。如图4所示。

图4 风轮组件

表1 控制变量

锁定噪声的尖峰来源之后，重点对风轮组件做了进一步的分析验证。

4.4.1 改变风轮材质

通过更改不同的风轮材质，包括聚丙烯（PP）、ABS树脂、AS树脂。其中：PP最轻，密度只有0.91g/m³，而且具有很低的吸水率，成型温度在160℃～220℃。PP材料也有明显缺点，尺寸精度较差、刚性较差、耐候性能差，并且存在后收缩特性，产品脱模后，比较容易老化、变脆，结构易变形。ABS树脂重量次之，密度为1.05g/m³，同样吸水率较低，成型温度为180℃～250℃。AS树脂密度为1.08g/m³，具有出色的耐热特性和耐溶剂特性。分别将以上三种材质用于风轮组件的注塑，通过比较不同材质成型的风轮，测试其噪声，发现噪声尖峰发生偏移，风轮材料与噪声有一定相关性。

4.4.2 改变风轮结构

通过减少风轮叶片数量，改变轮毂形状、连接强度等改变风轮的噪声阶磁和固有频率，然而，此方法对1615Hz尖峰没有产生影响。

4.4.3 调整风轮注塑参数

通过调整风轮组件注塑的压力和速度，改变其注塑内在应力，噪声发生了变化，特别是重点关注的1615Hz附近的尖峰有改善，但效果不稳定，尖峰波动明显。问题分析逐步清晰：改变风轮结构并未影响噪声尖峰的变化。注塑的参数却会影响噪声的1615Hz尖峰，因此，注塑压力、速度对风轮的影响并不是结构上的，而是看不到的因素。风轮与旋转体之间的作用力/应力正式进入问题的分析重点范畴[3]。测试方案如表2所示。

表2 风轮组件测试方案

重点分析风轮与旋转体之间的作用力。通过对比不同的注塑参数，测量出不同的噪声测试结果，但结果的稳定性依然不合格，噪声稳定性差。由此需要转换思路，从产品设计方案上解决此问题。前期验证明确了旋转体承受应力会对噪声产生影响，通过设计方案减小或者避免电机旋转体承受预应力。将方案改成风轮与旋转体完全隔离，装配部分通过热铆端面连接，除铆接部位外，其余结构区域不接触，将风轮与旋转体之间的作用力降到最低，风轮组件的固有频率也随之改变[4]。测试结果与分析结果一致，1615Hz附近尖峰完全消失，噪声得到明显改善，问题得到解决。如图5所示。

图5 噪声测试

5 理论分析

系统或物体在接收到外部的激励发生运动时，将会按照特定的频率产生振动。这个特定的频率就是系统的固频率，它与外界的激励没有关系，只是系统结构的固有属性。当收到外界的激励时，系统是按固有频率产生的振动响应[5]。固有频率的计算公式：

其中，f：结构的固有频率；K：弹性系数；M：质量。

系统或物体的固有频率受弹性系数、质量的影响，且弹性系数与物体的刚度有关。当质量增大，物体的固有频率将会降低，当刚度增大，物体的固有频率将会增大。进行进一步的理论验证，我们进行了模态仿真分析。通过仿真软件对旋转体施加不同大小的预应力，查看其前10阶模态频率[6]。查看不同大小预应力下各阶模态的振型，可以看到，在同一阶模态下，其模态振型图呈现相同的变化趋势，在我们所关注的频率附近，其模态振型如图6所示。但是频率值有一定差异，施加的预应力越大，其模态频率值越低。施加的预应力从0（不施加预应力）、20bar、35bar到45bar第四阶，模态频率值从1804.2Hz下降到1604.5Hz，下降幅度为12.5%，如图7所示。