任金波,張 翔,施火結(jié)

(福建農(nóng)林大學(xué) 機電工程學(xué)院,福建 福州 350002)

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動分析與改進(jìn)

任金波,張 翔,施火結(jié)

(福建農(nóng)林大學(xué) 機電工程學(xué)院,福建 福州 350002)

針對福州某公司新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動較大的問題，研究了散熱風(fēng)扇系統(tǒng)的減振技術(shù)。分析了影響風(fēng)扇軸向振動的因素，采用INV3160型智能信號采集儀和數(shù)據(jù)采集分析(DASP)軟件對風(fēng)扇樣機進(jìn)行了振動測試試驗，得出影響風(fēng)扇軸向振動的最大因素是直流無刷電機的換相脈動和齒槽脈動。對風(fēng)扇減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，對外轉(zhuǎn)子電機進(jìn)行齒面開槽，并通過試驗對改進(jìn)前后的結(jié)果進(jìn)行對比。試驗結(jié)果表明：改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)后，在低轉(zhuǎn)速時，直流無刷電機的換相脈動和齒槽脈動總的功率譜幅值可降低50%以上；齒面開槽后，軸向振動的諧波幅值下降幅度達(dá)45.8%，可有效減小直流無刷電機的高頻轉(zhuǎn)矩脈動對風(fēng)扇振動的影響。

新能源汽車；電池散熱風(fēng)扇；振動；減振

0 引言

蓄電池是新能源汽車中油電混合動力汽車和純電動汽車的核心部件，在大電流工作或充電的過程中，會因電池內(nèi)阻而產(chǎn)生大量的熱能，從而引起蓄電池溫度快速升高和電解液的氣化，導(dǎo)致蓄電池爆炸而產(chǎn)生危險。因而，需要采用風(fēng)扇進(jìn)行強制散熱以抑制蓄電池在新能源汽車行駛或充電過程中升溫。減振降噪是風(fēng)扇在工程應(yīng)用中急需解決的關(guān)鍵問題之一,國內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了較多研究。文獻(xiàn)[1-4]采用改變扇葉的形狀和角度等方法來降低汽車風(fēng)扇噪聲。文獻(xiàn)[5]通過改變消聲器的結(jié)構(gòu)，來提高消聲性能，從而達(dá)到降低汽車空調(diào)連接管噪聲的目的。文獻(xiàn)[6]提出通過重構(gòu)氣隙磁密波形來降低噪聲的方法。文獻(xiàn)[7]研究了抑制電動汽車用永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動的方法。

以往對風(fēng)扇減振降噪的研究，多基于一般汽車的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，對新能源汽車電池散熱方面的研究，目前主要集中在電池的熱效應(yīng)，對風(fēng)扇具體工程案例的研究還較少。本文以福州某公司專為奇瑞汽車在研車型A21ISG油電混合汽車所設(shè)計的電池散熱風(fēng)扇為例，提高了現(xiàn)有風(fēng)扇樣機產(chǎn)品的可靠性、舒適性和節(jié)能環(huán)保性能，通過理論分析和振動測試得到了影響風(fēng)扇軸向振動的最大因素，對風(fēng)扇減振結(jié)構(gòu)和電機進(jìn)行改進(jìn)，并通過試驗對比驗證改進(jìn)效果。

1 風(fēng)扇整體結(jié)構(gòu)和工作原理

以福州某公司專為奇瑞汽車在研車型A21ISG油電混合汽車所設(shè)計的電池散熱風(fēng)扇為例，新能源汽車電池散熱風(fēng)扇樣機如圖1所示。風(fēng)扇機械部分主要由整體式外轉(zhuǎn)子葉輪、電機、減振結(jié)構(gòu)和法蘭盤底座等部件組成。其中，風(fēng)輪與轉(zhuǎn)子不是兩個獨立的零件，而是將電機外轉(zhuǎn)子的磁軛簡化為一個簡單的套筒，然后以緊配合的方式壓入風(fēng)輪，共同形成整體式的電機外轉(zhuǎn)子風(fēng)輪。電池散熱風(fēng)扇外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和車用空調(diào)直流無刷風(fēng)機的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一致[8]。

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的葉輪固裝于無刷電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)軸上，電池散熱風(fēng)扇的工作原理如圖2所示。傳感器將采集到的軸向輸出信號傳送給控制器，經(jīng)脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)后，驅(qū)動控制電機運轉(zhuǎn)從而帶動葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，達(dá)到給電池組送風(fēng)散熱的目的。

圖1 新能源汽車電池散熱風(fēng)扇樣機圖2 電池散熱風(fēng)扇的工作原理

2 軸向振動原因分析

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇振動的原因復(fù)雜，軸向振動、徑向振動、扭擺振動等均為常見的振動形式。根據(jù)風(fēng)扇樣機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，影響樣機軸向振動的主要因素有整體式外轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡和直流無刷電機的各種轉(zhuǎn)矩脈動。

2.1 整體式外轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

電池散熱風(fēng)扇整體式外轉(zhuǎn)子葉輪有41片葉片，制造誤差導(dǎo)致的葉片分布不均勻，葉輪孔和旋轉(zhuǎn)軸在裝配過程中存在的裝配誤差，葉輪內(nèi)圈上緊密貼合的磁軛加工誤差及分布不均等，都會造成外轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心，從而引起風(fēng)扇振動。葉輪等外轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的振動頻率分量[9]為：

(1)

其中：f為外轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡時的振動頻率，Hz;n為葉輪工作時轉(zhuǎn)速，r/min。

2.2 直流無刷電機的轉(zhuǎn)矩脈動

2.2.1 換相脈動

直流無刷電機換相時電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式[10]為：

(2)

其中：Te為直流無刷電機換相脈動時的電磁轉(zhuǎn)矩，N·mm;E為電樞相繞組電勢的穩(wěn)態(tài)值，V；ωm為機械角速度，rad/s；I為各相電流的穩(wěn)態(tài)值，A；V為電機端電壓，V；L為定子繞組等效自感，mH；M為定子繞組等效互感，mH；t為換相時間，ms。

因此，換相時電流會發(fā)生脈動，設(shè)電機相數(shù)為k，對極數(shù)為p，電機換相時的電流脈動頻率為：

(3)

樣機的直流無刷電機參數(shù)k=3，p=2，根據(jù)式(3)可知，風(fēng)扇樣機中直流無刷電機的換相脈動頻率為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時工作頻率的12倍。

2.2.2 齒槽脈動

齒槽轉(zhuǎn)矩是由于齒槽電樞鐵芯和永磁體磁場相互作用形成的。根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換中的能量方法，電樞繞組開路計算時，齒槽轉(zhuǎn)矩可由電機磁場能量相對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的導(dǎo)數(shù)[11-15]求得：

(4)

(5)

B(θ,θ0,l)=Λ(θ)F(θ,θ0,l)；

(6)

(7)

其中：T為直流無刷電機的齒槽脈動轉(zhuǎn)矩，N·mm;Wd為電機磁場能量，W；θ0為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，rad；θ為電樞周向坐標(biāo)，rad；l為軸向坐標(biāo)，mm；B為等效氣隙磁密，T；g為氣隙長度，mm；Dd為電樞直徑，mm；ha為磁鋼厚度，mm；μ0為真空磁導(dǎo)率；F(θ，θ0，l)為磁鋼磁勢，A。

將式(7)代入式(5)可得：

(8)

式(8)經(jīng)過傅里葉變換后得：

(9)

(10)

其中：p為極對數(shù)；Q為風(fēng)扇中電機定子槽數(shù)；Λt為第t次磁導(dǎo)諧波幅值，V；fv為第v次磁勢諧波幅值，V；v為磁勢諧波的次數(shù)。將式(9)和式(10)代入式(5)得：

(11)

由式(11)可知：當(dāng)磁勢諧波、磁導(dǎo)諧波具有相同次數(shù)時，會導(dǎo)致直流無刷電機的齒槽脈動，且產(chǎn)生力矩，此時：

(12)

其中：n、β為Q和2p的公倍數(shù)，是齒槽轉(zhuǎn)矩的次數(shù)。

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇樣機中電機齒槽數(shù)Q為6，極數(shù)2p為4，其最小公倍數(shù)為12，可知風(fēng)扇樣機中直流無刷電機齒槽脈動頻率為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時工作頻率的12倍。

3 軸向振動測試

將新能源電池散熱風(fēng)扇置于振動試驗臺上，啟動風(fēng)扇，從1 200 r/min的正常工作轉(zhuǎn)速開始加速，轉(zhuǎn)速每增加100 r/min測量一次風(fēng)扇軸向振動信號，直至達(dá)到最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min時結(jié)束。測試信號經(jīng)DLF-4型放大器放大、INV3160型智能信號采集儀低通濾波采樣后，用數(shù)據(jù)采集分析(data acquisition and signal processing,DASP)軟件對振動信號進(jìn)行分析處理，得到風(fēng)扇在各穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的功率譜。風(fēng)扇以1 600 r/min和 2 000 r/min的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行時,測試的軸向功率譜分別如圖3和圖4所示。

圖3 軸向功率譜(1600r/min)圖4 軸向功率譜(2000r/min)

由圖3和圖4可知：當(dāng)風(fēng)扇以1 600 r/min的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行時，在320 Hz頻率分量處，軸向的功率譜有較大的幅值；當(dāng)風(fēng)扇以2 000 r/min的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行時，在400 Hz頻率分量處出現(xiàn)較大幅值，表明在320 Hz和400 Hz頻率分量處，風(fēng)扇的振動較大。經(jīng)過計算可知：該頻率分量均為軸向振動測試時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時工作頻率的12倍。上文在分析影響風(fēng)機軸向振動的因素時，同樣得出電機中換相脈動和齒槽脈動的頻率為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時工作頻率的12倍。因此，影響風(fēng)扇軸向振動的主要原因確定為電機的換相脈動和齒槽脈動。

圖5 風(fēng)扇軸向振動時的時域波形

為進(jìn)一步驗證測試試驗和結(jié)論的正確性，用示波器測試風(fēng)扇軸向振動時的時域波形，如圖5所示。圖5中：實測波形T1通道顯示外轉(zhuǎn)子周期；T2通道顯示外轉(zhuǎn)子的軸向齒槽脈動波形。從圖5中可以看出：實測的諧波次數(shù)為12，與理論值轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時工作頻率的12倍一致，并與功率譜圖的分析相符。

4 減振試驗

根據(jù)新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，可將其減振部分視為等效阻尼和彈簧系統(tǒng)，將整體式電機外轉(zhuǎn)子風(fēng)輪等效為總體質(zhì)量。當(dāng)風(fēng)扇運行時，受外界激振力的作用，可能出現(xiàn)軸向振動、徑向振動和扭擺振動，本文主要研究其軸向振動。在激振力作用下，軸向振動可簡化為單自由度受迫振動，其振幅和相位[16]分別為：

(13)

(14)

其中：A為單自由度振動的振幅，mm;F0為激振力，N；k為剛度系數(shù)，N·mm-1；δ為阻尼系數(shù),N·s·mm-1；ω0為干擾力圓頻率，rad/s；ω為風(fēng)扇自振圓頻率，rad/s；φ為相位角，rad。當(dāng)ω=ω0時，振動加大，系統(tǒng)發(fā)生共振；當(dāng)ω<ω0/2時,系統(tǒng)振動將會大大減小。

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的驅(qū)動采用直流無刷電機，但直流無刷電機普遍存在轉(zhuǎn)矩脈動問題，如換相脈動和齒槽脈動。定子齒面開槽是降低直流無刷電機齒槽脈動較簡單有效的方法。開槽時，槽面沿定子齒均勻分布。當(dāng)電機齒面開1個槽時,其基本齒槽轉(zhuǎn)矩次數(shù)為12次；電機齒面開2個槽時，基本齒槽轉(zhuǎn)矩次數(shù)變?yōu)?6次，脈動次數(shù)增加，幅值隨之下降。考慮新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，本文主要通過改進(jìn)風(fēng)扇的減振結(jié)構(gòu)，從而改變頻率和齒面開槽來減小風(fēng)機振動。

圖6 散熱風(fēng)扇改進(jìn)前減振墊結(jié)構(gòu)

4.1 改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇改進(jìn)前減振墊呈階梯圓柱狀結(jié)構(gòu)，如圖6所示。采用3個減振墊通過內(nèi)中心孔與電機線架相連接，然后用螺釘通過減振蓋與法蘭盤底座固聯(lián)在一起。

通過多次試驗，將風(fēng)扇現(xiàn)有的3個階梯圓柱狀減振墊改為夾心式圓柱狀，減振材料不變。3個減振墊通過內(nèi)中心孔與電機線架相連接，上端外圓面與法蘭盤底座上的3個圓柱孔配合。改進(jìn)后的減振墊結(jié)構(gòu)及安裝位置如圖7所示。4.2 試驗對比

改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)后，再次將風(fēng)扇置于測試臺，測試風(fēng)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譜，軸向振動信號經(jīng)采樣處理分析后得到換相脈動和齒槽脈動總的功率譜，如圖8所示。從圖8中可以看出：當(dāng)風(fēng)扇改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)后，在低轉(zhuǎn)速時直流無刷電機的換相脈動和齒槽脈動總的功率譜幅值有極大降低，降幅可達(dá)50%以上。在2 300 r/min以上高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，換相脈動和齒槽脈動總的功率譜基本呈無波動近直線狀態(tài)，且幅值和零點較接近，說明改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)后風(fēng)扇的軸向振動進(jìn)一步降低。

圖7 散熱風(fēng)扇改進(jìn)后的減振墊結(jié)構(gòu)及安裝位置圖8 改進(jìn)前后的換相脈動和齒槽脈動總的功率譜

4.3 齒面開槽

新能源汽車電池散熱風(fēng)扇中，電機為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，對外轉(zhuǎn)子電機齒面開槽，如圖9所示。當(dāng)電機外齒面開2個矩形凹槽(槽寬2 mm，槽深1 mm)后，測試得到風(fēng)扇軸向振動的時域波形，如圖10所示。由圖5和圖10可以看出：電機齒面開槽后，齒槽脈動周期增加，諧波次數(shù)倍增，周期內(nèi)變?yōu)?6次。諧波幅值從 830 mV下降到450 mV,較齒面開槽前下降幅度達(dá)45.8%，表明齒面開槽對抑制直流無刷電機的齒槽脈動有較好效果。

圖9 外轉(zhuǎn)子電機齒面開槽圖10 電機齒面開槽后的風(fēng)扇軸向振動時域波形

5 結(jié)論

(1)根據(jù)新能源汽車電池散熱風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)特點，通過理論分析和振動測試得出，影響新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動的主要因素為風(fēng)扇中直流無刷電機的換相脈動和齒槽脈動。

(2)改進(jìn)風(fēng)扇的減振結(jié)構(gòu)后，低轉(zhuǎn)速時直流無刷電機的換相脈動和齒槽脈動總的功率譜幅值降低達(dá)50%以上，高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下幅值可進(jìn)一步降低。

(3)外轉(zhuǎn)子電機齒面開槽后，軸向振動的諧波幅值較開槽前下降幅度達(dá)45.8%，表明齒面開槽對抑制直流無刷電機的齒槽脈動有較好效果。

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福建省科技廳高校產(chǎn)學(xué)研重大專項基金項目(2011H6004);福建省教育廳專業(yè)改革基金項目(1114S1205);福建農(nóng)林大學(xué)機械工程學(xué)科整體學(xué)科水平提升計劃基金項目(612014049)

任金波(1982-),男,湖北隨州人,實驗師,博士生,主要研究方向為機械振動和優(yōu)化設(shè)計;張翔(1957-),男,通信作者,福建福州人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為現(xiàn)代設(shè)計方法和優(yōu)化.

2016-11-21

1672-6871(2017)04-0025-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.04.006

TH113.1

A