黄子锋
中山南丰电机制造有限公司 广东省中山市
摘要：目前，汽车已成为日常出行的主要交通工具，用户对其乘座舒适性的要求越来越高。汽车空调作为汽车重要的电器附件，可实现制冷、制热、除霜、除雾等功能，为车内驾乘人员提供良好舒适的环境。舒适环境包含适宜的温度、湿度、良好的噪声水平。其中的噪声水平，用户越来越关注，关于空调噪声，笔者通过查阅著述，发现关于低温环境下鼓风机噪声问题总结较少，因此本文就低温环境下一种鼓风机常见噪声问题进行探讨。低温环境下，汽车空调主要实现制热功能，对于传统燃油车来说，其原理是利用发动机的余热来进行制热，HVAC内部有暖风芯体，暖风芯体与发动机冷却系统相连，当发动机冷却液温度上升到一定值后，在水泵的作用下，将高温冷却液输送到暖风芯体内，暖风芯体将周围的空气加热，通过鼓风机将加热后的空气吹出，实现制热效果。
关键词：汽车空调箱鼓风机电机振动噪声控制研究
引言
随着人们对汽车质量与舒适性要求越来越高，汽车NVH（Noise，Vibrationand Harshness）已成为汽车品质的一个重要指标。对于新能源汽车而言，没有发动机振动噪声的掩盖，汽车空调系统噪声显得尤为突出。永磁有刷直流电机广泛应用于汽车空调系统鼓风机，其噪声是空调系统鼓风机主要噪声源之一。因此，抑制车用永磁有刷直流电机的振动噪声，对提高汽车舒适性极为重要.
1电机电磁力波解析模型
由麦克斯韦尔应力张量法分析电机径向电磁力的计算公式作用在铁磁物质表面上的电磁力可表示为
Fr=1/2μ(Br2-Bt2)（1）
Ft=1/2μBrBt
（2）式中：Fr为作用在铁磁物质表面上的径向电磁力，且为面应力，单位为N/m2；Ft为作用在铁磁物质表面上的切向电磁力，且为面应力，单位为N/m2；Br为铁磁物质一侧介质径向磁通量密度；Bt为铁磁物质一侧介质切向磁通量密度；μ为铁磁物质与介质交界面一侧介质的磁导率。对于本文的永磁有刷直流电机，径向电磁力主要作用于永磁体上，根据式（1）、式（2）可以求得永磁体空气侧表面上的径向和切向电磁力。忽略切向气隙磁场可求得瞬时径向电磁力为
Frpm=1/2μ0Br2(r,θ,t)(3)
式中：Frpm为瞬时径向电磁力；Br(r,θ,t)为瞬时径向气隙磁场；μ0为自由空间的磁导率。对于本文的永磁有刷直流电机，作用于永磁体内表面的电磁力是周期性的旋转压力波，由于该电机有一对极，转子每旋转一周，旋转压力波转动两个周期。电机定子受到这种旋转力波的作用而引起结构振动，从而辐射出电磁噪声。
2电机噪声产生原因分析
2.1电磁噪声产生原因
1)电磁力，电磁噪声的根本原因是电磁振动，电磁振动由发动机空间期磁场的电磁力触发，空间期磁场产生的电磁力是一种旋转力波，通常可以由径向力波导致固定转子的径向变形和周期性振动，这是电磁噪声的主要因素；切向波是对应的电磁转矩的作用，导致齿沿其轴弯曲，并且是电磁噪声的二级因子。(2)由于固定转子空气间隙不均，发动机在运行时产生单边磁牵引。因此，有必要确保空气间隙的均匀装配，以避免振动。(3)电磁噪声还与定子和转子本身的振动特性(例如固有频率等)有关。例如，当共振力和马达固有频率之间发生共振时，即使是较小的电磁力也会因共振而产生较大的噪音。
2.2轴承产生的噪音
轴承本身产生的噪音，例如:内部和外部表面粗糙度、圆度、含油量、密度、孔隙度、耐压性、耐磨性以及空调风扇常用的油底壳润滑脂类型。轴承内外表面粗糙或受损，润滑不良，尤其是在低温下机油不好时，可能会产生异常摩擦噪音。轴承装配精度和电机精度引起的噪声:轴承噪声直接关系到电机机架的刚度和装配精度，决定了轴承振动的传递方式，最终由电机向外辐射。
3汽车空调箱鼓风机电磁振动噪声控制
3.1电机橡胶隔振垫刚度优化
永磁有刷直流电机通过四个橡胶隔振垫与法兰盘连接，法兰盘与法兰盘端盖通过卡扣固定连接包裹电机。电机运行时所产生的电磁力作用在定子壳体上，使定子壳体产生的结构振动通过4个橡胶隔振垫传递到法兰盘上，从而向四周辐射出噪声。所以通过改变橡胶隔振垫的刚度来优化定子传递到法兰盘的振动。已知永磁有刷直流电机橡胶隔振垫的原始弹性模量E=7.8×106Pa，弹性模量范围以内为0.2E～2.0E，通过仿真计算出橡胶隔振垫弹性模量与法兰盘振动速度关系，法兰盘振动速度随橡胶隔振垫的弹性模量增大而增大，当弹性模量为0.2E～0.6E时法兰盘最大振动速度较小，且增量较小，而在0.6E～0.8E时最大振动速度出现剧增现象，在0.8E～2.0E时，最大振动速度增量减缓，但最大振动速度幅值越来越大；原始工况下最大振动速度为9.92mm/s，最大振动速度最小值为2.54mm/s，最大值为18.44mm/s。为验证仿真结论的正确性，将橡胶隔振垫轴向长度削减1mm，使得橡胶隔振垫在安装状态下的压缩变量减小，从而降低弹性模量.测得的汽车空调箱鼓风机噪声原始工况和橡胶隔振垫弹性模量减小。在12阶600Hz附近测点2的噪声从50dB降到了44dB，减少了约6dB。实验结果定性证明了橡胶隔振垫的弹性模量影响电机12阶的电磁噪声传播，说明优化隔振垫弹性模量方案的有效性。
3.2应对结构噪声的方法
为了有效降低汽车的结构噪声，必须努力实现转子动平衡。在汽车车架运行的基础上，利用转子实现最大的动平衡，特别值得注意的是，在汽车上使用不平衡风扇时，实现动平衡状态不应忽视风扇的存在，而应考虑其状态。减少和隔离结构振动的方法也是重要的内容点。主要问题是:第一，如何将主要结构件的固有频率与主体的振动频率进行比较，以获得较大的差异。其中最重要的是，结构件的共振频率必须与高层电磁激励的振动频率大相径庭，以确保结构减振方法有效。第二，要正确连接发动机端盖和定子铁芯。第三，采用了一些措施来提高发动机结构内的阻尼效率。
3.3电机安装方式优化
法兰盘最大振动位移在法兰盘非固定安装点处，这是由于安装点被固定了，从而限制了该处的振动位移。所以提出增加法兰盘的固定点。由于电机与法兰盘通过4个橡胶隔振垫连接，电机定子壳振动通过4个隔振垫传递到法兰盘使其产生振动响应。所以，本文提出在法兰盘4个接触位置设置安装点来抑制振动。在12阶次，原始法兰盘的最大位移幅值为2.77×10-3mm；法兰盘4点安装的最大位移幅值为1.82×10-3mm；最大振动位移幅值降低了34.2%；说明4点安装法兰盘对优化12阶噪声是有效的。为验证仿真结果的正确性，将法兰盘改成4点安装的实验测试结果，测点2原始工况中存在着明显的12阶阶次线，从法兰盘4点安装的色谱图可以看出12阶阶次线基本消失。实验验证了4点安装法兰盘降噪方案的有效性。对比分析原始法兰盘和加厚1mm的法兰盘都在600Hz左右产生最大振动位移，且幅值从2.77×10-3mm降到1.75×10-3mm，最大振动位移降低了36.8%，说明法兰盘加厚1mm的方案是有效的。为验证仿真结果的正确性，将法兰盘加厚1mm进行实验验证。测试结果测点2原始工况中12阶阶次线很明显，在法兰盘加厚1mm后12阶次噪声基本消失，证明法兰盘加厚1mm的优化措施是有效的。
结束语
随着乘客对汽车空调舒适性要求越来越高，空调噪声、异响问题越来越受关注。车用空调箱鼓风机电磁力的主要谐波分量主要在600Hz、1200Hz、1800Hz、2400Hz频率处出现较大激励幅值。针对振动噪声提出了3种优化方案，电机橡胶隔振垫结构优化、法兰盘结构优化、电机安装方式优化，通过实验定性验证了3种降噪方案的有效性。
参考文献
[1]沈思思,郑东,张静.汽车空调箱鼓风机电机振动噪声控制研究[J].噪声与振动控制,2020,40(05):133-139+151.
[2]王英洋.汽车空调进气风道和鼓风机数值模拟及流动噪声分析[D].长江大学,2020.
[3]张静.汽车空调箱鼓风机电磁振动噪声控制研究[D].西南交通大学,2019.
[4]张娜,路改香,赵渊博.浅析汽车空调鼓风机低速异响问题的改善[C].河南省汽车工程学会.第十五届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集.河南省汽车工程学会:河南省汽车工程学会,2018:235-237.
[5]董奇奇.某车型汽车空调系统鼓风机噪音的诊断及改善[J].汽车实用技术,2017(09):15-17.
姓名:黄子锋（1981年2月22日），男，汉族，籍贯:广西宾阳，学历：本科，公司职位：电机设计工程师，负责公司的维特电机电磁、结构的设计开发
通讯地址：广东省中山市港口镇石特工业区／中山南丰电机制造有限公司，邮编：528400。