電機轉子內應力對噪聲的影響分析

雷威

中山大洋電機股份有限公司，廣東中山，528411

0 引言

提供安靜的睡眠環境是空調的主要功能之一。電機作為空調器的主要部件，噪聲是重要的考量指標。對電機而言，運動就會振動，振動就會產生噪聲，噪聲作為電機的重要考量指標之一，一直都是專家學者們研究的課題。新風空調不僅是空調行業的產品策略，更是空調行業的品牌戰略。新一代的空調產品必然帶新風功能。由此，未來行業中需要更多關于帶新風功能空調的噪聲解決技術創新。

1 新風空調的新風模塊

新風空調最重要的模塊之一就是新風模塊。目前新風模塊上用得最多的是外轉子風機。外轉子風機主要由蝸殼、風輪、外轉子電機組成。外轉子電機在新風系統中的新應用，面臨噪聲振動的分析少、技術不成熟、研究文獻及成果少等問題。本文通過常規的分析手段及電機的NVH分析，研究外轉子電動機噪聲與振動之間的關聯性，從而找到噪聲產生的根源，制定改善措施。振動來源于電動機運轉過程中產生的力，力的大小、振幅、強度等都會對噪聲產生影響[1]。接下來通過一個壁掛新風空調用新風機上所遇到的外轉子風機問題，闡述受力與噪聲的關系。

2 研究對象

新風機的主要組成包括：蝸殼、風輪、外轉子電機。新風機的主要噪聲源就是外轉子電機。如圖1所示。

圖1 新風機的主要結構

外轉子風機是旋轉體在電動機外側的一類風機。其結構特點是電動機的定子在電動機的里面。這類風機具有明顯的優勢：結構緊湊、設計精巧、與風輪一體化設計、風機能效做到最優。外轉子風機廣泛應用于家用空調、商用空調、軌道交通、運輸冷凍、機房空調、冷凝器、電子設備散熱等。

3 問題描述

某產品在市面上出現了低檔噪聲，遇到了噪聲問題，利用丹麥B&K噪聲頻譜分析儀測試，其頻譜表現在700rpm狀態下1615Hz區域附近有一尖峰。如圖2所示。

圖2 某產品噪聲頻譜分析

同步使用專業的NVH設備進行掃頻分析，在Colormap云圖下進一步確認了風機存在140階次的噪聲。在客戶需要使用的空調睡眠檔700rpm下，140階次的噪聲表現得很明顯。如圖3所示。

圖3 NVH 設備進行掃頻分析

4 改善與驗證

針對這個噪聲問題，制定了一系列的改善驗證措施，分別從產品電磁、電控、結構上進行分析驗證。

4.1 改變電機軸向預緊力

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軸向預緊力，測試風機噪聲頻譜，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、風輪組件、蝸殼底板上分別增加阻尼片，測試風機噪聲頻譜，1615Hz附近尖峰無改善。

4.3 改變結構件強度

通過調整定子安裝腳壁厚、材料壁厚等方式，調整電機結構件的強度，測試風機噪聲頻譜，1615Hz附近尖峰無改善。

4.4 其他方式

改變充磁方式、改變電機氣隙、調整電動機軸承室公差等，測試風機噪聲頻譜，1615Hz附近尖峰均無改善。

綜合以上驗證，進一步通過控制變量和排除法，對換各主要零部件（定子、風輪組件、控制器），控制唯一變量情況下對比，如表1，測量多組數據后，鎖定此尖峰噪聲來源于電機風輪組件。而風輪組件由風輪與旋轉體整體注塑組成。如圖4所示。

圖4 風輪組件

表1 控制變量

鎖定噪聲的尖峰來源之后，重點對風輪組件做了進一步的分析驗證。

4.4.1 改變風輪材質

通過更改不同的風輪材質，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，尺寸精度較差、剛性較差、耐候性能差，并且存在后收縮特性，產品脫模后，比較容易老化、變脆，結構易變形。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用于風輪組件的注塑，通過比較不同材質成型的風輪，測試其噪聲，發現噪聲尖峰發生偏移，風輪材料與噪聲有一定相關性。

4.4.2 改變風輪結構

通過減少風輪葉片數量，改變輪轂形狀、連接強度等改變風輪的噪聲階磁和固有頻率，然而，此方法對1615Hz尖峰沒有產生影響。

4.4.3 調整風輪注塑參數

通過調整風輪組件注塑的壓力和速度，改變其注塑內在應力，噪聲發生了變化，特別是重點關注的1615Hz附近的尖峰有改善，但效果不穩定，尖峰波動明顯。問題分析逐步清晰：改變風輪結構并未影響噪聲尖峰的變化。注塑的參數卻會影響噪聲的1615Hz尖峰，因此，注塑壓力、速度對風輪的影響并不是結構上的，而是看不到的因素。風輪與旋轉體之間的作用力/應力正式進入問題的分析重點范疇[3]。測試方案如表2所示。

表2 風輪組件測試方案

重點分析風輪與旋轉體之間的作用力。通過對比不同的注塑參數，測量出不同的噪聲測試結果，但結果的穩定性依然不合格，噪聲穩定性差。由此需要轉換思路，從產品設計方案上解決此問題。前期驗證明確了旋轉體承受應力會對噪聲產生影響，通過設計方案減小或者避免電機旋轉體承受預應力。將方案改成風輪與旋轉體完全隔離，裝配部分通過熱鉚端面連接，除鉚接部位外，其余結構區域不接觸，將風輪與旋轉體之間的作用力降到最低，風輪組件的固有頻率也隨之改變[4]。測試結果與分析結果一致，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

系統或物體在接收到外部的激勵發生運動時，將會按照特定的頻率產生振動。這個特定的頻率就是系統的固頻率，它與外界的激勵沒有關系，只是系統結構的固有屬性。當收到外界的激勵時，系統是按固有頻率產生的振動響應[5]。固有頻率的計算公式：

其中，f：結構的固有頻率；K：彈性系數；M：質量。

系統或物體的固有頻率受彈性系數、質量的影響，且彈性系數與物體的剛度有關。當質量增大，物體的固有頻率將會降低，當剛度增大，物體的固有頻率將會增大。進行進一步的理論驗證，我們進行了模態仿真分析。通過仿真軟件對旋轉體施加不同大小的預應力，查看其前10階模態頻率[6]。查看不同大小預應力下各階模態的振型，可以看到，在同一階模態下，其模態振型圖呈現相同的變化趨勢，在我們所關注的頻率附近，其模態振型如圖6所示。但是頻率值有一定差異，施加的預應力越大，其模態頻率值越低。施加的預應力從0（不施加預應力）、20bar、35bar到45bar第四階，模態頻率值從1804.2Hz下降到1604.5Hz，下降幅度為12.5%，如圖7所示。

圖6 模態振型

圖7 模態頻率

本文所述典型例子，給電動機旋轉體施加預應力后，電動機旋轉體的剛度減小，固有頻率降低，降低到一定程度，受到電動機系統激勵，振動放大，振動產生噪聲，作用到空調整機負載上，體現出來噪聲的差異。以上仿真的分析結果與實際測試結果完全一致[7]。

6 結論

攜帶新風模塊的空調產品是行業的發展趨勢，目前行業中對新風模塊的噪聲分析不足。本文通過對壁掛新風空調用新風機噪聲的產生進行方案測試驗證及理論分析，充分說明了外轉子電動機的零部件內應力對風機的噪聲會產生十分重要的影響。可見，在分析風機噪聲時，零部件的內在應力、固有頻率等的影響不能忽視。