电机转子内应力对噪声的影响分析

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。

图6 模态振型

图7 模态频率

本文所述典型例子，给电动机旋转体施加预应力后，电动机旋转体的刚度减小，固有频率降低，降低到一定程度，受到电动机系统激励，振动放大，振动产生噪声，作用到空调整机负载上，体现出来噪声的差异。以上仿真的分析结果与实际测试结果完全一致[7]。

6 结论

携带新风模块的空调产品是行业的发展趋势，目前行业中对新风模块的噪声分析不足。本文通过对壁挂新风空调用新风机噪声的产生进行方案测试验证及理论分析，充分说明了外转子电动机的零部件内应力对风机的噪声会产生十分重要的影响。可见，在分析风机噪声时，零部件的内在应力、固有频率等的影响不能忽视。