車用空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)常用噪聲原因分析及改善研究

何通武

摘 ?要：隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，主機(jī)廠對(duì)汽車舒適性要求的不斷提高，車內(nèi)空調(diào)噪聲控制問(wèn)題日益顯得突出起來(lái)。永磁直流電機(jī)是目前汽車空調(diào)用鼓風(fēng)電機(jī)的主要類型之一。其噪聲類型主要是電磁噪聲和機(jī)械噪聲，文章簡(jiǎn)單介紹了永磁直流鼓風(fēng)機(jī)引起振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的主要原因及基本解決措施。

關(guān)鍵詞：噪聲;鼓風(fēng)機(jī);階次

中圖分類號(hào)：U463.851 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(shù)的發(fā)展越來(lái)越快，人們對(duì)汽車舒適性要求越來(lái)越高，要求在整車上操作空調(diào)風(fēng)量時(shí)，其聲音是平滑且可以接受的，包括空調(diào)在各檔風(fēng)速的時(shí)候，也包括在空調(diào)切換模式，溫度，內(nèi)外循環(huán)等各個(gè)風(fēng)門的時(shí)候?？照{(diào)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的異常噪聲都對(duì)乘客的舒適性造成不適。在鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在駕駛員側(cè)和副駕駛側(cè)應(yīng)聽(tīng)不到鼓風(fēng)機(jī)的滴答聲、嗡嗡聲、吱吱聲等異聲。

汽車空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)通常采用的是永磁直流電機(jī)，下面就永磁直流電機(jī)噪聲的識(shí)別方法，產(chǎn)生原因，測(cè)試方法，改進(jìn)措施等問(wèn)題做下具體介紹。

1 永磁直流電機(jī)的主要噪聲識(shí)別方法

空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)噪聲一直是困擾人們的難題，引起電機(jī)振動(dòng)和噪聲的原因很多，主要分為兩個(gè)方面：電磁因素和機(jī)械因素。

1.1 電磁噪聲識(shí)別方法

（1）改變外施電壓法，空載時(shí)，從額定電壓U下降，轉(zhuǎn)速幾乎不變，可認(rèn)為機(jī)械噪聲不變，若電磁噪聲是主要噪聲，則隨U下降，噪聲下降。

（2）電機(jī)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(chǎn)生噪音的具體部位和原因。直流永磁電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲頻率一般為f=Z*Q*n/60（Z為諧波次數(shù)，Q為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，n為轉(zhuǎn)速）。

1.2 機(jī)械噪聲識(shí)別方法

（1）改變外施電壓法

電機(jī)空載時(shí)，機(jī)械噪聲與外加的電壓大小關(guān)系不大，噪聲常不穩(wěn)定。為進(jìn)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(jìn)行測(cè)量。

（2）電機(jī)噪聲頻譜分析法

a.軸向振動(dòng)噪聲一般在1000～1600Hz有明顯峰值;

b.軸向串動(dòng)噪聲一般在50～400Hz有明顯峰值;

c.轉(zhuǎn)子動(dòng)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(jī)噪聲產(chǎn)生原因分析

2.1 電磁噪聲產(chǎn)生原因

（1）電磁力，電磁噪聲的根本原因是電磁振動(dòng)，電磁振動(dòng)由電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)電磁力激發(fā)，氣隙磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁力是一個(gè)旋轉(zhuǎn)力波，一般可以分為徑向、切向力波。徑向力波使定轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向變形及周期性振動(dòng)，這是電磁噪聲的主要因素;切向力波是對(duì)應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩的作用力，它使齒部相對(duì)其軸心產(chǎn)生彎曲，是電磁噪聲一個(gè)次要因素。

（2）由于定轉(zhuǎn)子的氣隙不均勻，電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生單邊的磁拉力。因此保證氣隙裝配均勻是防止振動(dòng)的必要措施。

（3）電磁噪聲還和定子、轉(zhuǎn)子本身的振動(dòng)特性（如固有頻率等）有關(guān)。例如，當(dāng)諧振力和電機(jī)的固有頻率發(fā)生共振時(shí)，即使較小的電磁力也會(huì)由于共振而產(chǎn)生很大的噪聲。

2.2 機(jī)械噪聲產(chǎn)生原因

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)子的不平衡以及電機(jī)和其它結(jié)構(gòu)件之間共振形成機(jī)械噪聲。下面分部件對(duì)產(chǎn)生機(jī)械噪聲的主要原因進(jìn)行描述。

2.2.1 轉(zhuǎn)子部分，零件加工工藝的影響

（1）軸的主要影響因素：強(qiáng)度，光潔度，直線度，軸承檔圓度。直線度和圓度不良亦會(huì)影響換向器車削的圓度，加大換向器摩擦噪聲。

（2）換向器的車削質(zhì)量等會(huì)影響換向器表面狀態(tài)（包括表面粗糙度、圓柱度、片間跳動(dòng)）。表面狀態(tài)不良則會(huì)增大電刷與換向器的滑動(dòng)連接處產(chǎn)生的摩擦噪聲。

（3）電樞疊片的主要影響因素：沖片的尺寸精度、內(nèi)外圓同心度、毛刺、疊片是否整齊，如鐵芯疊壓不緊會(huì)引起振動(dòng)聲。

2.2.2 轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量的影響

（1）壓軸工藝的主要影響：軸直線度、軸承檔破壞，軸與鐵心過(guò)度緊配。壓軸工藝需要防止軸與轉(zhuǎn)子疊片壓裝時(shí)有傾斜、 彎曲。保證軸和轉(zhuǎn)子鐵芯之間有較好的同軸度。

（3）轉(zhuǎn)子不平衡是影響電機(jī)質(zhì)量的重要因素，使電樞在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致?lián)Q向器噪聲。

2.2.3 刷架部分

（1）電刷本身的主要影響因素：電刷是與運(yùn)動(dòng)件作滑動(dòng)接觸而形成電連接的一種導(dǎo)電部件。電刷的硬度、金屬含量、摩擦系數(shù)、弧度等是噪聲的影響因素。

（2）碳刷位置安裝不良、碳刷與刷架的配合不當(dāng)、 碳刷壓力不適合都會(huì)造成電機(jī)噪聲。電刷裝入電機(jī)刷架后，電刷應(yīng)該能夠上下自由移動(dòng)，如果間隙過(guò)小，容易引起電刷卡滯在刷架之中，導(dǎo)致碳刷和換向器接觸不良，電機(jī)工作不正常;間隙過(guò)大，電刷則會(huì)在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在刷架內(nèi)產(chǎn)生抖動(dòng)，不僅出現(xiàn)振動(dòng)噪聲，也會(huì)出現(xiàn)換向火花，引起火花噪聲，并對(duì)換向器產(chǎn)生破壞性影響。

2.2.4 軸承引起的噪聲

軸承本身產(chǎn)生的噪聲：如空調(diào)風(fēng)機(jī)常用的含油軸承的內(nèi)外表面粗糙度、圓度，含油率，密度、孔隙度、抗壓強(qiáng)度、耐磨性、油脂的種類相關(guān)。軸承內(nèi)外表面粗糙或損傷、潤(rùn)滑不良特別是低溫時(shí)出油不良將會(huì)產(chǎn)生異常摩擦聲。

軸承與電機(jī)裝配精度引起的噪聲：軸承噪音與電機(jī)結(jié)構(gòu)件本身的剛性和裝配的精度有直接關(guān)系，它決定了軸承振動(dòng)的傳遞途徑，噪聲最后都是通過(guò)電機(jī)向外輻射的。

3 車用空調(diào)噪聲常用測(cè)試方法

聲音噪聲值可以用聲壓級(jí)LP定義為;某聲壓P與參考聲壓Pe 之比取10為底的對(duì)數(shù)再乘以20以分貝（dB）計(jì)，LP=20*lg（P/Pe）。

Pe：參考聲壓，人耳能夠聽(tīng)到最小的聲音，相當(dāng)于20微帕斯卡（μPa）的壓強(qiáng)變化，為20×10-6Pa。

噪聲分析通常會(huì)用到以下一些方法，如：

1/3倍頻程：把整個(gè)可聽(tīng)聲頻率（20～20kHz）按一定規(guī)律分成若干段，成為頻帶或頻程，以頻率為橫坐標(biāo)，聲音的強(qiáng)弱為縱坐標(biāo)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(gè)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(gè)噪聲信號(hào)變換到頻域信號(hào)。有些信號(hào)在時(shí)域上是看不出什么特征，但是在時(shí)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(hào)采用FFT變換分析的原因。

Campbell：使用3D形式來(lái)顯示測(cè)量值（聲壓級(jí)或加速度），階次以及頻率、轉(zhuǎn)速之間的相互關(guān)系，坎貝爾圖X軸通常為轉(zhuǎn)速，Y軸為頻率，Z軸為噪聲分貝值。

階次分析：基于FFT的常規(guī)頻譜分析通常適用于與轉(zhuǎn)速關(guān)系不大的信號(hào)，F(xiàn)FT是等時(shí)間采樣，對(duì)于與轉(zhuǎn)速相關(guān)的信號(hào)分析，F(xiàn)FT分析會(huì)產(chǎn)生分析誤差，階次分析適用于與轉(zhuǎn)速相關(guān)的信號(hào)分析。

4 基于階次分析查找噪聲源

車用空調(diào)永磁鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)的階次噪聲和電機(jī)的結(jié)構(gòu)特性相關(guān)，由于馬達(dá)本身的結(jié)構(gòu)不可能構(gòu)建連續(xù)的磁場(chǎng)，所以在轉(zhuǎn)子和定子的磁場(chǎng)相互作用時(shí)，在磁場(chǎng)間隙會(huì)由于磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生受力變動(dòng)，這也是振動(dòng)噪音的源頭。階次噪聲是描述旋轉(zhuǎn)機(jī)械中某信號(hào)及其諧波的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以理解為在旋轉(zhuǎn)部件上的不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的振動(dòng)，振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)頻存在一定的倍數(shù)關(guān)系。

在汽車空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)噪聲的研究中，現(xiàn)在越來(lái)越多的采用通過(guò)測(cè)試電機(jī)的階次噪聲來(lái)判定電機(jī)是否有相關(guān)的噪聲問(wèn)題。通過(guò)階次噪聲來(lái)確定噪聲根源，然后通過(guò)相關(guān)措施來(lái)針對(duì)性解決噪聲問(wèn)題，可以起到事半功倍的作用。

階次噪聲的測(cè)試方法是：

從2.5V的最低電壓開(kāi)始，風(fēng)扇在90s內(nèi)持續(xù)達(dá)到13.5V的最大啟動(dòng)電壓。要求在整個(gè)速度范圍內(nèi)，所有和電機(jī)特性相關(guān)的階次噪聲相對(duì)于整體水平噪聲的最小差值需要大于10dB。

在馬達(dá)結(jié)構(gòu)確定后，階次噪聲的特性就固定了。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)無(wú)刷鼓風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，如果鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子有6塊磁鋼，定子的繞線有9極，就會(huì)產(chǎn)生6階次及9階次噪聲，同時(shí)還會(huì)有此階次噪聲的倍數(shù)的階次噪聲。

對(duì)有刷鼓風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，如果和碳刷接觸的換向器片數(shù)是12片，轉(zhuǎn)子槽數(shù)為12槽，也就會(huì)產(chǎn)生12階次，24階次等等噪聲;如果葉輪的葉片數(shù)為43片，則也會(huì)產(chǎn)生43階次噪聲，這都和鼓風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特性相關(guān)。

在FFT頻譜特性可以根據(jù)出現(xiàn)尖峰的頻率值根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)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(jù)。

5 永磁直流電機(jī)噪聲基本解決措施

5.1 電磁噪聲基本解決措施

想設(shè)計(jì)一臺(tái)徹底避免電磁噪聲的電機(jī)是不可能的，我們所能做的就是使所設(shè)計(jì)的電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)諧振分量要小，產(chǎn)生的徑向諧振階次數(shù)要高，使電磁共振的頻率遠(yuǎn)離電機(jī)固有共振頻率。

我們可以采用以下方法降低電磁噪聲。

（1）選擇適當(dāng)?shù)亩ㄞD(zhuǎn)子氣隙磁密;

（2）轉(zhuǎn)子采用斜槽;

（3）定轉(zhuǎn)子磁路對(duì)稱均勻，轉(zhuǎn)子鐵芯迭壓必須緊密;

（4）為避免電磁力與電機(jī)固有頻率產(chǎn)生共振，電機(jī)和法蘭采用彈性減震結(jié)構(gòu);

（5）定、轉(zhuǎn)子及端蓋的加工與裝配時(shí)需要保證它們的同心度與圓度。

5.2 機(jī)械噪聲的主要解決措施

（1）為降低換向噪聲應(yīng)合理選擇電刷和換向器材料;

含銅量過(guò)高的碳刷容易加重碳刷摩擦噪聲，選用適當(dāng)?shù)那邢魉俣葋?lái)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(yīng)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，可通過(guò)合理的刷架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或采用彈性隔振件減少電刷的振動(dòng)向定子的傳遞。

（2）為降低軸承噪聲應(yīng)：轉(zhuǎn)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(rùn)滑脂;選擇合適的軸承壓緊力。

（3）控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡量。

5.3 介于階次噪聲改進(jìn)電機(jī)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(qū)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(guò)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(dá)到了規(guī)范的要求。

6 結(jié)論

本文介紹了汽車空調(diào)常用的鼓風(fēng)機(jī)永磁電機(jī)的機(jī)械噪聲和電磁噪聲的識(shí)別方法，比較系統(tǒng)的介紹了機(jī)械噪聲及其電磁噪聲的產(chǎn)生原因、測(cè)試方法、特別是利用階次噪聲來(lái)探知電機(jī)噪聲源，對(duì)永磁電機(jī)常用噪聲改進(jìn)措施也做了比較詳細(xì)的介紹。

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