新能源汽車電池散熱風扇軸向振動研究及改進

翁基明

摘 要：隨著全球能源局勢的日益緊張，生態環境不斷地發生惡化，汽車行業與這兩個方面息息相關。因此全世界汽車行業積極探索的重點是新能源汽車的開發與應用，新能源汽車的發展也帶動了相關產業的快速發展，新能源汽車的發展也受到了政府的鼓勵和支持。本文就新能源汽車電池散熱風扇軸向振動問題進行了研究，并提出了幾點改進措施。從而改善新能源汽車散熱風扇振動技術，進一步降低了新能源汽車使用風險，促進國家經濟發展。

關鍵詞：新能源汽車；電池散熱風扇；軸向振動研究

新能源汽車中的核心部件是蓄電池，而蓄電池本身的內阻會在充電過程中產生熱能，導致蓄電池溫度上升其內的電解液也會氣化，潛伏著爆炸的危險，因此在新能源汽車的制造中，電池散熱風扇的存在至關重要，但是，新能源汽車電池散熱風扇在應用過程極易發生振動特別是軸向振動，為散熱風扇正常工作增加了負擔，因此采取適當措施改進新能源汽車電池散熱風扇的軸向振動問題是新能源汽車應用過程中的首要任務。

一、新能源汽車電池散熱風扇軸向振動原因

一般來說，新能源汽車中散熱風扇是由電機、減振結構、法蘭盤和外轉子葉輪等組成，在這些零件中，風輪和轉子是聯合工作的，風輪和轉子共同形成整體的電機外轉子葉輪，無刷電機驅動的轉軸上固定著新能源汽車電池散熱風扇，首先軸向輸出信號有傳感器傳遞給控制器，再由脈沖寬度調節，驅動控制電機，電機轉動，葉輪也持續運轉，產生氣流達到散熱電池的效果。[1]

通過分析新能源散熱風扇的結構特點和轉動原理，主要有直流無刷電機的各種轉矩脈動和整體式外轉子質量不平衡兩種方式影響散熱風扇軸向振動。首先直流無刷電機的轉矩脈動包括齒槽脈動、換相脈動兩種。齒槽電樞和永磁體磁場相互作用形成了齒槽轉矩，又因為在電樞繞組開路計算時，可用機電能量轉換中的計算方法，當電機磁場能量相對轉子轉角的倒數已知時可得當磁勢諧波、磁導諧波次數一樣時，直流無刷電機在進行齒槽脈動的過程中產生力矩。這種情況下，轉子工作頻率是新能源汽車電池散熱風扇樣機的直流無刷電機齒槽脈動頻率的十二分之一；由直流無刷電機換相時的電磁轉矩表達式可得當電機端電壓是電樞相繞組電勢穩態值的四倍時，轉距不變，當電機端電壓大于電樞相繞組電勢穩態值的四倍時，轉距增大，反之減少，由此可知換相時電流會發生脈動，并根據電機換相時的電流脈動頻率可得轉子轉動時的工作效率是新能源汽車電池散熱風扇樣機中直流無刷電機換相脈動頻率的十二分之一。

其次，由于新能源汽車中電池散熱風扇整體式外轉子葉片數量大，有41片，所以在制造過程中極易產生差錯從而導致外轉子偏離引起風扇振動，如在裝配過程中葉輪孔和旋轉軸的誤差、葉輪內圈上緊密貼合的磁軛加工分布不平、本身制造葉片的差錯等，由葉輪工作時的轉速除以60可得葉輪等外轉子質量不平衡所引起的振動頻率。

二、新能源汽車電池散熱風扇軸向振動改進

根據測試新能源電池散熱風扇的軸向振動規律可得散熱風扇在不同的轉速運轉時，其產生的振動頻率幅度也有所變化，結合上述直流無刷電機換相時的轉矩表達式得出轉子轉動時工作頻率的確是散熱風扇電機中換相脈動和齒槽脈動頻率的十二分之一，進一步確定了電機的換相脈動和齒槽脈動是影響散熱風扇軸向振動的主要因素。[2]然后根據新能源汽車電池散熱風扇的原理通過等效阻尼和彈簧系統兩個部分進行分析，新能源汽車電池散熱風扇在運行使出現的軸向振動可視為單自由度受迫振動，又其振幅和相位的運算公式可得當干擾力圓周率與風扇自振圓周率相等時，振動加大并發生共振，當時系統振動會在風扇自振圓周率小于干擾力圓周率的二分之一時大大減小。因此新能源汽車電池熱風扇減振結構的改進，可以使風扇振動減小。

（1）直流無刷電機改進，針對直流無刷電機經常出現的齒槽脈動和轉矩脈動問題，最便捷有效的方法是可以進行定子齒面開槽，由上述原理可得散熱風扇的轉矩次數為十二處在電機齒面槽數為一時；而當齒面增加一個槽數時，散熱風扇的轉矩次數就變為三十六次，齒槽脈動周期增加諧波次數增加，但是諧波幅度下降，由此可以推論散熱風扇脈動次數與振動幅度成負相關，因此可以進行齒面開槽來降低直流無刷電機齒槽脈動，從而降低新能源電池散熱風扇的軸向振動幅度。

（2）減振墊改進，一般來說，新能源汽車電池散熱風扇的減振墊結構是階梯圓柱狀的，內中心和電機線架之間有三個減震墊相連，減振蓋于法蘭盤底座之間則是由螺絲固定連接，實際運用證明這種結構會加劇電池散熱風扇的軸向振動幅度，針對這種情況可對電池散熱風扇減振墊結構進行一定程度的改進，在不改動減震墊本身材質的前提下，將散熱風扇的減振墊結構進行一定改進，散熱風扇的三個減振墊通過內中心之后再與電機線架進行連接，每個減震墊上端的外圓面也應該配合法蘭盤底座的三個圓柱孔，通過測試散熱風扇中直流無刷電機換相脈動和齒槽脈動在減振前后的功率變化可得出通過改善散熱風扇減振結構不止在低轉速時可使直流無刷電機的換相脈動和齒槽脈動的功率譜幅，同時在高轉速時也可以有效降低散熱風扇的齒槽脈動和換相脈動總功率。[2]

三、總結

由新能源汽車的電池散熱風扇結構特點可分析散熱風扇中的直流無刷電機的轉矩脈動是影響新能源汽車電池散熱風扇軸向振動的主要因素，可通過改善散熱風扇的減振結構有效降低散熱風扇的直流無刷電機換相脈動和齒槽脈動總功率，而齒面開槽也可以有效抑制直流無刷電機的齒槽脈動，從而進一步降低新能源汽車電池散熱風扇的軸向振動幅度，提高了新能源汽車電池散熱風扇的可靠性和節能環保性。

參考文獻：

[1]任金波，張翔，施火結.新能源汽車電池散熱風扇軸向振動分析與改進[J].河南科技大學學報：自然科學版，2017，38（4）：25-29.

[2]謝先宇，陸珂偉. 新能源汽車用動力電池系統振動試驗研究[J].上海汽車， 2014（5）：2-6.