车用空调鼓风机常用噪声原因分析及改善研究

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　　摘  要：随着汽车工业的发展，主机厂对汽车舒适性要求的不断提高，车内空调噪声控制问题日益显得突出起来。永磁直流电机是目前汽车空调用鼓风电机的主要类型之一。其噪声类型主要是电磁噪声和机械噪声，文章简单介绍了永磁直流鼓风机引起振动和噪声产生的主要原因及基本解决措施。
　　关键词：噪声;鼓风机;阶次
　　中图分类号：U463.851 文献标志码：A         文章编号：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
　　随着汽车电子技术的发展越来越快，人们对汽车舒适性要求越来越高，要求在整车上操作空调风量时，其声音是平滑且可以接受的，包括空调在各档风速的时候，也包括在空调切换模式，温度，内外循环等各个风门的时候。空调鼓风机运转中的异常噪声都对乘客的舒适性造成不适。在鼓风机运转时，在驾驶员侧和副驾驶侧应听不到鼓风机的滴答声、嗡嗡声、吱吱声等异声。
　　汽车空调鼓风机通常采用的是永磁直流电机，下面就永磁直流电机噪声的识别方法，产生原因，测试方法，改进措施等问题做下具体介绍。
　　1 永磁直流电机的主要噪声识别方法
　　空调鼓风机电机噪声一直是困扰人们的难题，引起电机振动和噪声的原因很多，主要分为两个方面：电磁因素和机械因素。
　　1.1 电磁噪声识别方法
　　（1）改变外施电压法，空载时，从额定电压U下降，转速几乎不变，可认为机械噪声不变，若电磁噪声是主要噪声，则随U下降，噪声下降。
　　（2）电机噪声频谱分析法，在消音室或半消音室，用频谱分析仪分析其不同频率下的波形，从而可以大致得出产生噪音的具体部位和原因。直流永磁电动机的电磁噪声频率一般为f=Z*Q*n/60（Z为谐波次数，Q为转子齿数，n为转速）。
　　1.2 机械噪声识别方法
　　（1）改变外施电压法
　　电机空载时，机械噪声与外加的电压大小关系不大，噪声常不稳定。为进一步确定噪音源的位置和判明主要噪声源的部位，可用传声器靠近噪声源进行测量。
　　（2）电机噪声频谱分析法
　　a.轴向振动噪声一般在1000～1600Hz有明显峰值;
　　b.轴向串动噪声一般在50～400Hz有明显峰值;
　　c.转子动不平衡噪声频率一般为f=n/60;
　　d.换向器噪声频率一般为f=m*n/60。
　　2 永磁直流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，电磁振动由电机的气隙磁场电磁力激发，气隙磁场所产生的电磁力是一个旋转力波，一般可以分为径向、切向力波。径向力波使定转子发生径向变形及周期性振动，这是电磁噪声的主要因素;切向力波是对应电磁转矩的作用力，它使齿部相对其轴心产生弯曲，是电磁噪声一个次要因素。
　　（2）由于定转子的气隙不均匀，电机运行时会产生单边的磁拉力。因此保证气隙装配均匀是防止振动的必要措施。
　　（3）电磁噪声还和定子、转子本身的振动特性（如固有频率等）有关。例如，当谐振力和电机的固有频率发生共振时，即使较小的电磁力也会由于共振而产生很大的噪声。
　　2.2 机械噪声产生原因
　　电机转动部分如碳刷和换向器之间，轴和含油轴承之间的相互摩擦，转子的不平衡以及电机和其它结构件之间共振形成机械噪声。下面分部件对产生机械噪声的主要原因进行描述。
　　2.2.1 转子部分，零件加工工艺的影响
　　（1）轴的主要影响因素：强度，光洁度，直线度，轴承档圆度。直线度和圆度不良亦会影响换向器车削的圆度，加大换向器摩擦噪声。
　　（2）换向器的车削质量等会影响换向器表面状态（包括表面粗糙度、圆柱度、片间跳动）。表面状态不良则会增大电刷与换向器的滑动连接处产生的摩擦噪声。
　　（3）电枢叠片的主要影響因素：冲片的尺寸精度、内外圆同心度、毛刺、叠片是否整齐，如铁芯叠压不紧会引起振动声。
　　2.2.2 转子装配质量的影响
　　（1）压轴工艺的主要影响：轴直线度、轴承档破坏，轴与铁心过度紧配。压轴工艺需要防止轴与转子叠片压装时有倾斜、 弯曲。保证轴和转子铁芯之间有较好的同轴度。
　　（3）转子不平衡是影响电机质量的重要因素，使电枢在旋转过程中产生振动，导致换向器噪声。 　　2.2.3 刷架部分
　　（1）电刷本身的主要影响因素：电刷是与运动件作滑动接触而形成电连接的一种导电部件。电刷的硬度、金属含量、摩擦系数、弧度等是噪声的影响因素。
　　（2）碳刷位置安装不良、碳刷与刷架的配合不当、 碳刷压力不适合都会造成电机噪声。电刷装入电机刷架后，电刷应该能够上下自由移动，如果间隙过小，容易引起电刷卡滞在刷架之中，导致碳刷和换向器接触不良，电机工作不正常;间隙过大，电刷则会在电机运转时在刷架内产生抖動，不仅出现振动噪声，也会出现换向火花，引起火花噪声，并对换向器产生破坏性影响。
　　2.2.4 轴承引起的噪声
　　轴承本身产生的噪声：如空调风机常用的含油轴承的内外表面粗糙度、圆度，含油率，密度、孔隙度、抗压强度、耐磨性、油脂的种类相关。轴承内外表面粗糙或损伤、润滑不良特别是低温时出油不良将会产生异常摩擦声。
　　轴承与电机装配精度引起的噪声：轴承噪音与电机结构件本身的刚性和装配的精度有直接关系，它决定了轴承振动的传递途径，噪声最后都是通过电机向外辐射的。
　　3 车用空调噪声常用测试方法
　　声音噪声值可以用声压级LP定义为;某声压P与参考声压Pe 之比取10为底的对数再乘以20以分贝（dB）计，LP=20*lg（P/Pe）。
　　Pe：参考声压，人耳能够听到最小的声音，相当于20微帕斯卡（μPa）的压强变化，为20×10-6Pa。
　　噪声分析通常会用到以下一些方法，如：
　　1/3倍频程：把整个可听声频率（20～20kHz）按一定规律分成若干段，成为频带或频程，以频率为横坐标，声音的强弱为纵坐标绘制的线谱成为频谱，倍频程为等百分比带宽法（CPB），即频带的最高频率是其最低频率的1倍，1/3倍频程是把每个倍频程按等例带宽再分成3份，其上下限频率之比为1.26。
　　FFT：FFT是噪声离散傅立叶变换的一种快速算法，是噪声分析的一种常用方法，可以将一个噪声信号变换到频域信号。有些信号在时域上是看不出什么特征，但是在时域变换为频域后就容易看出其中特征，这就是很多噪声信号采用FFT变换分析的原因。
　　Campbell：使用3D形式来显示测量值（声压级或加速度），阶次以及频率、转速之间的相互关系，坎贝尔图X轴通常为转速，Y轴为频率，Z轴为噪声分贝值。
　　阶次分析：基于FFT的常规频谱分析通常适用于与转速关系不大的信号，FFT是等时间采样，对于与转速相关的信号分析，FFT分析会产生分析误差，阶次分析适用于与转速相关的信号分析。
　　4 基于阶次分析查找噪声源
　　车用空调永磁鼓风机电机的阶次噪声和电机的结构特性相关，由于马达本身的结构不可能构建连续的磁场，所以在转子和定子的磁场相互作用时，在磁场间隙会由于磁场的变化产生受力变动，这也是振动噪音的源头。阶次噪声是描述旋转机械中某信号及其谐波的对应关系，可以理解为在旋转部件上的不平衡质量产生的振动，振动频率与转频存在一定的倍数关系。
　　在汽车空调鼓风机噪声的研究中，现在越来越多的采用通过测试电机的阶次噪声来判定电机是否有相关的噪声问题。通过阶次噪声来确定噪声根源，然后通过相关措施来针对性解决噪声问题，可以起到事半功倍的作用。
　　阶次噪声的测试方法是：
　　从2.5V的最低电压开始，风扇在90s内持续达到13.5V的最大启动电压。要求在整个速度范围内，所有和电机特性相关的阶次噪声相对于整体水平噪声的最小差值需要大于10dB。
　　在马达结构确定后，阶次噪声的特性就固定了。举例来说，对无刷鼓风机来说，如果鼓风机转子有6块磁钢，定子的绕线有9极，就会产生6阶次及9阶次噪声，同时还会有此阶次噪声的倍数的阶次噪声。
　　对有刷鼓风机来说，如果和碳刷接触的换向器片数是12片，转子槽数为12槽，也就会产生12阶次，24阶次等等噪声;如果叶轮的叶片数为43片，则也会产生43阶次噪声，这都和鼓风机的结构特性相关。
　　在FFT频谱特性可以根据出现尖峰的频率值根据转速来计算到底是多少阶次的噪声。
　　阶次特性图中可以很容易的看到那些阶次特性超出10分贝的分界线，从而为解决阶次噪声提供分析依据。
　　5 永磁直流电机噪声基本解决措施
　　5.1 电磁噪声基本解决措施
　　想设计一台彻底避免电磁噪声的电机是不可能的，我们所能做的就是使所设计的电机的气隙磁场谐振分量要小，产生的径向谐振阶次数要高，使电磁共振的频率远离电机固有共振频率。
　　我们可以采用以下方法降低电磁噪声。
　　（1）选择适当的定转子气隙磁密;
　　（2）转子采用斜槽;
　　（3）定转子磁路对称均匀，转子铁芯迭压必须紧密;
　　（4）为避免电磁力与电机固有频率产生共振，电机和法兰采用弹性减震结构;
　　（5）定、转子及端盖的加工与装配时需要保证它们的同心度与圆度。
　　5.2 机械噪声的主要解决措施
　　（1）为降低换向噪声应合理选择电刷和换向器材料;
　　含铜量过高的碳刷容易加重碳刷摩擦噪声，选用适当的切削速度来保证换向器有光滑的表面和更高的圆柱度;合理选择电刷和刷架的配合、电刷压力;刷架本身材料应具有良好的机械强度，可通过合理的刷架结构设计或采用弹性隔振件减少电刷的振动向定子的传递。
　　（2）为降低轴承噪声应：转子轴的轴承挡加工精度和表面光洁度要高;端盖轴承室和安装止口的同心度要高，选用合适的材料和润滑脂;选择合适的轴承压紧力。
　　（3）控制电机转子的不平衡量。
　　5.3 介于阶次噪声改进电机噪声举例
　　图1中12阶次噪声超差，12阶次噪声和总噪声之间的偏差小于10分贝，超差的区间在1100rpm的低速档，判定此阶次噪声是由于电刷摩擦不良引起。
　　图2是通过提高了换向器的切削精度而提高换向器的圆柱度，从而改善了12阶次碳刷摩擦噪声，达到了规范的要求。
　　6 结论
　　本文介绍了汽车空调常用的鼓风机永磁电机的机械噪声和电磁噪声的识别方法，比较系统的介绍了机械噪声及其电磁噪声的产生原因、测试方法、特别是利用阶次噪声来探知电机噪声源，对永磁电机常用噪声改进措施也做了比较详细的介绍。
　　参考文献：
　　[1]大众汽车MQB平台空调总成噪声测试规范[S].2015.
　　[2]陈永校，诸自强，应善成.电机噪声的分析和控制[M].浙江大学出版社，1987.
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