車用空調鼓風機常用噪聲原因分析及改善研究
來源:用戶上傳
作者:
摘 要：隨著汽車工業的發展，主機廠對汽車舒適性要求的不斷提高，車內空調噪聲控制問題日益顯得突出起來。永磁直流電機是目前汽車空調用鼓風電機的主要類型之一。其噪聲類型主要是電磁噪聲和機械噪聲，文章簡單介紹了永磁直流鼓風機引起振動和噪聲產生的主要原因及基本解決措施。
關鍵詞：噪聲;鼓風機;階次
中圖分類號：U463.851 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）18-0127-03
Abstract： With the development of the automobile industry and the continuous improvement of the automobile comfort requirements of the main engine factory， the noise control of the air conditioning in the vehicle is becoming more and more prominent. Permanent magnet DC motor is one of the main types of blower motor for automobile air conditioning. The main types of noise are electromagnetic noise and mechanical noise. This paper briefly introduces the main causes of vibration and noise caused by permanent magnet DC blower and the basic solving measures.
Keywords： noise; blower; order
引言
隨著汽車電子技術的發展越來越快，人們對汽車舒適性要求越來越高，要求在整車上操作空調風量時，其聲音是平滑且可以接受的，包括空調在各檔風速的時候，也包括在空調切換模式，溫度，內外循環等各個風門的時候?？照{鼓風機運轉中的異常噪聲都對乘客的舒適性造成不適。在鼓風機運轉時，在駕駛員側和副駕駛側應聽不到鼓風機的滴答聲、嗡嗡聲、吱吱聲等異聲。
汽車空調鼓風機通常采用的是永磁直流電機，下面就永磁直流電機噪聲的識別方法，產生原因，測試方法，改進措施等問題做下具體介紹。
1 永磁直流電機的主要噪聲識別方法
空調鼓風機電機噪聲一直是困擾人們的難題，引起電機振動和噪聲的原因很多，主要分為兩個方面：電磁因素和機械因素。
1.1 電磁噪聲識別方法
?。?）改變外施電壓法，空載時，從額定電壓U下降，轉速幾乎不變，可認為機械噪聲不變，若電磁噪聲是主要噪聲，則隨U下降，噪聲下降。
?。?）電機噪聲頻譜分析法，在消音室或半消音室，用頻譜分析儀分析其不同頻率下的波形，從而可以大致得出產生噪音的具體部位和原因。直流永磁電動機的電磁噪聲頻率一般為f=Z*Q*n/60（Z為諧波次數，Q為轉子齒數，n為轉速）。
1.2 機械噪聲識別方法
?。?）改變外施電壓法
電機空載時，機械噪聲與外加的電壓大小關系不大，噪聲常不穩定。為進一步確定噪音源的位置和判明主要噪聲源的部位，可用傳聲器靠近噪聲源進行測量。
?。?）電機噪聲頻譜分析法
a.軸向振動噪聲一般在1000～1600Hz有明顯峰值;
b.軸向串動噪聲一般在50～400Hz有明顯峰值;
c.轉子動不平衡噪聲頻率一般為f=n/60;
d.換向器噪聲頻率一般為f=m*n/60。
2 永磁直流電機噪聲產生原因分析
2.1 電磁噪聲產生原因
?。?）電磁力，電磁噪聲的根本原因是電磁振動，電磁振動由電機的氣隙磁場電磁力激發，氣隙磁場所產生的電磁力是一個旋轉力波，一般可以分為徑向、切向力波。徑向力波使定轉子發生徑向變形及周期性振動，這是電磁噪聲的主要因素;切向力波是對應電磁轉矩的作用力，它使齒部相對其軸心產生彎曲，是電磁噪聲一個次要因素。
?。?）由于定轉子的氣隙不均勻，電機運行時會產生單邊的磁拉力。因此保證氣隙裝配均勻是防止振動的必要措施。
?。?）電磁噪聲還和定子、轉子本身的振動特性（如固有頻率等）有關。例如，當諧振力和電機的固有頻率發生共振時，即使較小的電磁力也會由于共振而產生很大的噪聲。
2.2 機械噪聲產生原因
電機轉動部分如碳刷和換向器之間，軸和含油軸承之間的相互摩擦，轉子的不平衡以及電機和其它結構件之間共振形成機械噪聲。下面分部件對產生機械噪聲的主要原因進行描述。
2.2.1 轉子部分，零件加工工藝的影響
?。?）軸的主要影響因素：強度，光潔度，直線度，軸承檔圓度。直線度和圓度不良亦會影響換向器車削的圓度，加大換向器摩擦噪聲。
?。?）換向器的車削質量等會影響換向器表面狀態（包括表面粗糙度、圓柱度、片間跳動）。表面狀態不良則會增大電刷與換向器的滑動連接處產生的摩擦噪聲。
?。?）電樞疊片的主要影響因素：沖片的尺寸精度、內外圓同心度、毛刺、疊片是否整齊，如鐵芯疊壓不緊會引起振動聲。
2.2.2 轉子裝配質量的影響
?。?）壓軸工藝的主要影響：軸直線度、軸承檔破壞，軸與鐵心過度緊配。壓軸工藝需要防止軸與轉子疊片壓裝時有傾斜、 彎曲。保證軸和轉子鐵芯之間有較好的同軸度。
?。?）轉子不平衡是影響電機質量的重要因素，使電樞在旋轉過程中產生振動，導致換向器噪聲。 2.2.3 刷架部分
?。?）電刷本身的主要影響因素：電刷是與運動件作滑動接觸而形成電連接的一種導電部件。電刷的硬度、金屬含量、摩擦系數、弧度等是噪聲的影響因素。
?。?）碳刷位置安裝不良、碳刷與刷架的配合不當、 碳刷壓力不適合都會造成電機噪聲。電刷裝入電機刷架后，電刷應該能夠上下自由移動，如果間隙過小，容易引起電刷卡滯在刷架之中，導致碳刷和換向器接觸不良，電機工作不正常;間隙過大，電刷則會在電機運轉時在刷架內產生抖動，不僅出現振動噪聲，也會出現換向火花，引起火花噪聲，并對換向器產生破壞性影響。
2.2.4 軸承引起的噪聲
軸承本身產生的噪聲：如空調風機常用的含油軸承的內外表面粗糙度、圓度，含油率，密度、孔隙度、抗壓強度、耐磨性、油脂的種類相關。軸承內外表面粗糙或損傷、潤滑不良特別是低溫時出油不良將會產生異常摩擦聲。
軸承與電機裝配精度引起的噪聲：軸承噪音與電機結構件本身的剛性和裝配的精度有直接關系，它決定了軸承振動的傳遞途徑，噪聲最后都是通過電機向外輻射的。
3 車用空調噪聲常用測試方法
聲音噪聲值可以用聲壓級LP定義為;某聲壓P與參考聲壓Pe 之比取10為底的對數再乘以20以分貝（dB）計，LP=20*lg（P/Pe）。
Pe：參考聲壓，人耳能夠聽到最小的聲音，相當于20微帕斯卡（μPa）的壓強變化，為20×10-6Pa。
噪聲分析通常會用到以下一些方法，如：
1/3倍頻程：把整個可聽聲頻率（20～20kHz）按一定規律分成若干段，成為頻帶或頻程，以頻率為橫坐標，聲音的強弱為縱坐標繪制的線譜成為頻譜，倍頻程為等百分比帶寬法（CPB），即頻帶的最高頻率是其最低頻率的1倍，1/3倍頻程是把每個倍頻程按等例帶寬再分成3份，其上下限頻率之比為1.26。
FFT：FFT是噪聲離散傅立葉變換的一種快速算法，是噪聲分析的一種常用方法，可以將一個噪聲信號變換到頻域信號。有些信號在時域上是看不出什么特征，但是在時域變換為頻域后就容易看出其中特征，這就是很多噪聲信號采用FFT變換分析的原因。
Campbell：使用3D形式來顯示測量值（聲壓級或加速度），階次以及頻率、轉速之間的相互關系，坎貝爾圖X軸通常為轉速，Y軸為頻率，Z軸為噪聲分貝值。
階次分析：基于FFT的常規頻譜分析通常適用于與轉速關系不大的信號，FFT是等時間采樣，對于與轉速相關的信號分析，FFT分析會產生分析誤差，階次分析適用于與轉速相關的信號分析。
4 基于階次分析查找噪聲源
車用空調永磁鼓風機電機的階次噪聲和電機的結構特性相關，由于馬達本身的結構不可能構建連續的磁場，所以在轉子和定子的磁場相互作用時，在磁場間隙會由于磁場的變化產生受力變動，這也是振動噪音的源頭。階次噪聲是描述旋轉機械中某信號及其諧波的對應關系，可以理解為在旋轉部件上的不平衡質量產生的振動，振動頻率與轉頻存在一定的倍數關系。
在汽車空調鼓風機噪聲的研究中，現在越來越多的采用通過測試電機的階次噪聲來判定電機是否有相關的噪聲問題。通過階次噪聲來確定噪聲根源，然后通過相關措施來針對性解決噪聲問題，可以起到事半功倍的作用。
階次噪聲的測試方法是：
從2.5V的最低電壓開始，風扇在90s內持續達到13.5V的最大啟動電壓。要求在整個速度范圍內，所有和電機特性相關的階次噪聲相對于整體水平噪聲的最小差值需要大于10dB。
在馬達結構確定后，階次噪聲的特性就固定了。舉例來說，對無刷鼓風機來說，如果鼓風機轉子有6塊磁鋼，定子的繞線有9極，就會產生6階次及9階次噪聲，同時還會有此階次噪聲的倍數的階次噪聲。
對有刷鼓風機來說，如果和碳刷接觸的換向器片數是12片，轉子槽數為12槽，也就會產生12階次，24階次等等噪聲;如果葉輪的葉片數為43片，則也會產生43階次噪聲，這都和鼓風機的結構特性相關。
在FFT頻譜特性可以根據出現尖峰的頻率值根據轉速來計算到底是多少階次的噪聲。
階次特性圖中可以很容易的看到那些階次特性超出10分貝的分界線，從而為解決階次噪聲提供分析依據。
5 永磁直流電機噪聲基本解決措施
5.1 電磁噪聲基本解決措施
想設計一臺徹底避免電磁噪聲的電機是不可能的，我們所能做的就是使所設計的電機的氣隙磁場諧振分量要小，產生的徑向諧振階次數要高，使電磁共振的頻率遠離電機固有共振頻率。
我們可以采用以下方法降低電磁噪聲。
?。?）選擇適當的定轉子氣隙磁密;
?。?）轉子采用斜槽;
?。?）定轉子磁路對稱均勻，轉子鐵芯迭壓必須緊密;
?。?）為避免電磁力與電機固有頻率產生共振，電機和法蘭采用彈性減震結構;
?。?）定、轉子及端蓋的加工與裝配時需要保證它們的同心度與圓度。
5.2 機械噪聲的主要解決措施
?。?）為降低換向噪聲應合理選擇電刷和換向器材料;
含銅量過高的碳刷容易加重碳刷摩擦噪聲，選用適當的切削速度來保證換向器有光滑的表面和更高的圓柱度;合理選擇電刷和刷架的配合、電刷壓力;刷架本身材料應具有良好的機械強度，可通過合理的刷架結構設計或采用彈性隔振件減少電刷的振動向定子的傳遞。
?。?）為降低軸承噪聲應：轉子軸的軸承擋加工精度和表面光潔度要高;端蓋軸承室和安裝止口的同心度要高，選用合適的材料和潤滑脂;選擇合適的軸承壓緊力。
?。?）控制電機轉子的不平衡量。
5.3 介于階次噪聲改進電機噪聲舉例
圖1中12階次噪聲超差，12階次噪聲和總噪聲之間的偏差小于10分貝，超差的區間在1100rpm的低速檔，判定此階次噪聲是由于電刷摩擦不良引起。
圖2是通過提高了換向器的切削精度而提高換向器的圓柱度，從而改善了12階次碳刷摩擦噪聲，達到了規范的要求。
6 結論
本文介紹了汽車空調常用的鼓風機永磁電機的機械噪聲和電磁噪聲的識別方法，比較系統的介紹了機械噪聲及其電磁噪聲的產生原因、測試方法、特別是利用階次噪聲來探知電機噪聲源，對永磁電機常用噪聲改進措施也做了比較詳細的介紹。
參考文獻：
[1]大眾汽車MQB平臺空調總成噪聲測試規范[S].2015.
[2]陳永校，諸自強，應善成.電機噪聲的分析和控制[M].浙江大學出版社，1987.
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/1/view-14886942.htm
