（机械设计及理论专业论文）车用空调直流无刷风机的减振研究.pdf

福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 摘要 本文以福州澳来尔公司提供的风机样机为研究对象，分析了车用空调直流无刷风机的 结构特点和工作原理；从理论上重点分析了影响无刷风机振动的各种因素及其影响规律， 并建立了整机的振动力学模型和微分方程；在理论分析的基础上，进行了风机振动测试的 试验系统设计，然后对直流无刷风机进行振动测试和振动分析，确定了引起风机振动的主 要因素及其影响规律；振动测试与分析的结果表明：影响风机振动最大的两个因素为风机 转子质量不平衡和无刷直流电机的换相脉动，且转子质量不平衡因素对风机的振动影响随 转速升高而逐步增大，换相脉动因素对风机的振动影响随转速升高而逐渐减小；最后根据 试验测试结果，提出了有效的减振措施：通过改进风机上下减振垫片的结构后，可有效控 制风机中直流无刷电机引起的高频脉动如换相脉动等；改进动平衡方法并重新对风机进行 整体式动平衡后，由转子质量不平衡因素引起的振动也可大幅降低，进一步降低了产品的 振动与噪声；改进前后均通过试验对比以验证改进效果，从而最终较好的解决了样机振动 较大的问题。 关键词：车用空调离心风机；振动；测试；减振 车用空调直流无刷风机的减振研究 a b s t r a c t t h ep a p e rs t u d i e do nt h ef a na st h er e s e a r c ho b j e c tp r o v i d e db yf u z h o ua o l e i e re l e c t r i cc o ， l t d i n t r o d u c e dt h es t r u c t u r eo fb r u s h l e s sd cm o t o ra i rc o n d i t i o n i n gf a na n dt h ew o r k i n g p r i n c i p l e ；a na n a l y s i so ft h ei m p a c to fb r u s h l e s sf a nv i b r a t i o nv a r i o u sf a c t o r sa n di t si m p a c to n t h el a wa n ds e tu pt h em a c h i n e sv i b r a t i o nm e c h a n i c a lm o d e la n dd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ；t h e v i b r a t i o nt e s ts y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e n s u r e dt h em a i nf a c t o r s w h i c he f f e e t e dt h ev i b r a t i o no ff a na n dt h ei m p a c to ft h el a wf o rv i b r a t i o nt e s t i n ga n dv i b r a t i o n a n a l y s i s v i b r a t i o nt e s ta n da n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h eb i g g e s tt w of a c t o r sw h i c he f f e c tf a n v i b r a t i o nw e r et h eq u a l i t yo ff a ni m p e l l e ri m b a l a n c ea n db r u s h l e s sd cm o t o rf o rp h a s ep u l s a t i o n , a n dt h eq u a l i t yo ft h ei m b a l a n c eo nt h er o t o rw i t ht h ev i b r a t i o no ft h ei m p a c to ff a ns p e e dt o i n c r e a s e 伊a d u a l l yi n c r e a s i n g ，f a c t o rf o rt h ep u l s eo ft h ev i b r a t i o no ft h ef a ns p e e dt oi n c r e a s e w i t hd e c r e a s i n gg r a d u a l l y ；f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot e s tr e s u l t s ，t h ee f f e c t i v ev i b r a t i o nr e d u c t i o n m e a s u r e sw a sg i v e n ：t h eh i 曲一f r e q u e n c yp u l s eo ft h eb a s i cd i s a p p e a r e db yi m p r o v et h ef a nu p a n dd o w nv i b r a t i o no ft h es t r u c t u r e ；b yi m p r o v ed y n a m i cb a l a n c e ，t h eu n e v e nq u a l i t yo ft h er o t o r v i b r a t i o na l s oc a u s e das i g n i f i c a n tr e d u c t i o n , f u r t h e rr e d u c i n gv i b r a t i o na n dn o i s eo ft h ep r o d u c t s ； i m p r o v e m e n tw a st e s t e db e f o r ea n da f t e rc o n t r a s tt ov e r i f yt h ee f f e c to fi m p r o v i n g ，a n ds o l v et h e f a nl a r g e rp r o t o t y p ev i b r a t i o np r o b l e mb e t t e ru l t i m a t e l y k e y w o r d s ：b l d cf a nb a s e do nv e h i c l e s ，v i b r a t i o n , t e s t i n g ，r e d u c ev i b r a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立 完成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中 已作了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一 同对本研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被 查有侵犯他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位c 论文作者亲笔躲仁& 哆吼 论文使用授权的说明 、，乙 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即 学校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。 学位( 论文储亲笔躲彳。啪蹴 舯教师亲笔繇弘施 吼 。6v ，、 b o 冲m 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 1绪论 i 1 课题研究的目的和意义 国产汽车空调目前普遍采用直流有刷风机，但直流有刷风机效率低、噪声大，电刷使用 寿命短，经常需要维护和修理。而直流无刷电机因采用电子换相技术，省去了直流有刷电机 中的整流子和电刷，对电机的效率与转速的提高、使用寿命的延长都有较大的余地，另外电 机的噪声也有所降低。因此用无刷电机替代有刷电机，是现代直流电机发展的趋势。在中高 级车型的汽车空调系统中，由于对乘坐的舒适性要求高，空调系统要求配置较大风量的风机， 但车内的安装空间十分有限，在安装尺寸不变的情况下可通过直流无刷电机提高电机的转速 来提高空调风机的风量。而无论对哪一级别的车型，采用直流无刷风机，都有利于减少汽车 能耗( 节油) 和降低车内噪声。对于中型车辆因需安装多个空调风机而造成电能供需的矛盾， 采用直流无刷风机则也是一个十分有效的解决方案。 福州澳来尔电气有限公司历经近三年多的研发和产品化工作，突破了许多技术障碍，完 成了奇瑞首款b 级车奇瑞a 6 汽车空调直流无刷风机的研发任务。为进一步提高现有产品的 可靠性、舒适性和节能环保性能，改善风机的抗振性能，需要对现有样机产品进行更深入的 研究，力图通过理论分析和振动测试试验，找出引起风机振动的主要因素及其影响规律，并 在理论和试验分析的基础上，研究减小风机振动的有效措施，通过改进产品的结构设计等， 进一步降低空调风机的振动和噪声水平，实现产品产业化生产的目的。 1 2 车用直流无刷风机的发展 无刷电机是诞生于2 0 世纪6 0 年代后期，伴随着永磁材料、微电子及力电子技术、电动 机制造技术的发展而产生的一种新型电动机，同时也是一种典型的机电一体化产品n 1 。它主 要由电机本体、位置传感器及换向器组成，与传统电机相比，其转子采用永磁体作为励磁， 故又称为永磁无刷电机，它用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，既 保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能，又克服了有刷直流电动机机械换向带来 的一系列的缺点，因此在各个领域得到了广泛应用瞳1 。 在国外，无刷电机的生产和应用取得了很大进展，如日本仓毛电器公司研究出的k i c k 系列产品，西德西门子公司推出的a d 系列产品啦3 。在大功率无刷直流电机方面，工业级的 无刷直流电动机及驱动系统已达到兆瓦级的功率范围，特别是在美国，一些公司的p m b c d m 产品已占据了不同的应用领域，例如f u n k 、u s a 的产品主要应用于工厂自动化领域，p a p s t 的产品主要应用于仪器设备领域，k o l l n n o r g 的产品主要应用于国防和航天领域脂1 。德国制 车用空调直流无刷风机的减振研究 成六相变频电源供电的1 0 9 5 k w 、2 3 0 r p m 的稀土永磁电动机，用于舰船推进，与过去使用的 直流电动机相比，体积和总损耗都大大的降低，而且省去了电刷和换向器，维护也方便h 1 。 法国开发的1 0 0 k w 无刷直流电动机，在线圈端侧装入逆变器，重量只2 8 蚝。 我国无刷直流电机的研制工作起步较晚，始于2 0 世纪7 0 年代初期，主要集中在一些科 研院所和高等院校，开始在小功率( 几十瓦到几瓦) 范围内从科研转向生产，如西安微电机研 究所研制的4 5 z w o l ，5 5 z w - 1 ，7 0 z w - 1 系列产品，上海交大研制的卫星上专用的无刷直流 电机，上海微电机研究所的无刷直流力矩电动机等口1 ，但大功率的无刷直流电动机尚处于研 究阶段。近年来，我国在军用方面等也已开发出各种用途的永磁无刷直流电动机，广泛地应 用于航空、舰船和特殊使用环境的设备上，为我国的国防事业现代化建设作出了重要贡献。 直到2 0 0 0 年后，欧洲和日本的一些汽车厂家才认识到了无刷电机的优势，开始研究汽 车空调无刷风机用的低电压直流无刷电机，并在极少数的b 级( 中高级) 轿车上应用，由于 应用效果较好，不仅能节能、降噪、减小电磁干扰，而且使用寿命长，目前采用无刷电机的 汽车空调无刷风机有不断应用推广的趋势。根据了解，目前只有日本和欧洲2 0 0 0 年后生产 的少数高级轿车的空调系统采用无刷风机，但其生产的销往中国的轿车都采用传统的有刷风 机，最具有代表性的是国际汽车空调系统供应商法雷奥的子公司意大利法雷奥为欧洲产的奥 迪a 4 和奥迪a 6 开发的无刷风机，而国产奥迪a 4 和a 6 仍然采用传统的直流有刷电机。另 一国际空调系统供应商法国东风贝洱目前正处于研发中，尚未有产品面市。 国内，目前专业生产汽车空调风机的厂家尚未推出直流无刷风机产品，仅有个别高端车 型采用进口的直流无刷风机。2 0 0 4 年，奇瑞汽车公司组织厂家开始研发b 2 1 ( b 2 1 为研发代 号，车型现定名为奇瑞a 6 ) 车型，这是国内厂家自主研发的首款b 级轿车，所有技术起点要 求与国际b 级轿车同步，也就是这个时候，国内开始有企业进行汽车空调无刷风机的研发工 作，但无刷电机技术的应用历史毕竟较短，应用于新产品的开发，需要一个针对应用领域的 研发过程，如从2 0 0 4 年起为奇瑞研制汽车空调无刷鼓风机的上海舒航，因样品的效率未达 标，需重新设计；台湾的泰泉，于2 0 0 7 年8 月研制出首个样品，还处于样品改进过程中； 国内为奇瑞a 6 开展研发工作的还有一家从事传统汽车空调有刷风机生产的国营企业，但目 前研发的样机效率较低，而且振动和噪声大，且产品的改进与产品化遇到困难，另外，产品 的结构上也存在着诸多的不合理之处，无法展开相关的产品化工作和实现量产。 福州澳来尔电气有限公司于2 0 0 6 年初与奇瑞汽车公司签定汽车空调无刷风机的研发协 议，目前，已成功研发出了首台满足奇瑞a 6 样车使用要求的车用空调无刷风机，已装入样 车完成全部试验。 2 福建农林 学2 0 0 9 目硕学怔论i 13 样机的结构和工作原理 3 l 结构特点 福州澳来尔公司提供的车用空调直流无刷风机样机结构如图】- 】和图1 - 2 所示 散热片 磁瓦磁辄铁芯上蛙集 目l q 车用i 调直流无刷风机 从目l q 、i - 2 中可以看出，风机的整体结构主要有咀 下几个部分组成：直流无刷电机、整体式外转子叶轮、旋 转轴、滚动轴承、轴承座、上下线架、上下减麓垫、控制 电路板、散热片、法兰盘、后盖等，其结构特点为： ( 1 】整体式外转子风轮结构 内转子电机结构的风机要使电机产生同样的电磁力 矩，电机的径向尺寸要比外转子电机太，且受支承和布置 的影响，风机的轴向尺寸较大。而采用外转子结构可大大 缩减风机的尺寸，有利于空调系统的布置，节约空调系统在汽车乘员室内的空间。 目前般的外转子无刷风机，风轮与转子是独立的两个零件，风轮与转子固定在转轴上， 谚结构方式的缺点在于转子是一个用金属拉伸而成的钢碗，其工艺复杂，转于的同轴度误差 较大，不利于保证电机气隙的均匀，同时在电机动平衡中，需要将风轮与转子分两次动平衡， 而且风轮的动平衡是利用工芝轴完成的，这样平衡后装上电机轴由于装配位置及轴的不同， 有可能引起不平衡量的增大，即产生所谓的假平衡现象，不利于保证产品的品质。研究用的 3 车用空调直流无届i j 风机的减振研究 样机是将电机外转子的磁轭简化为一个简单的套筒，然后以紧配合的方式压入风轮，共同形 成整体式的电机外转子风轮，将传统外转子无刷风机中外转子与传统风轮两个运动件合二为 一，集成一体。既简化了结构，降低了制造成本，又提高了两运动件的同轴度、动平衡的工 艺性和动平衡的精度，使风机的刚度增大、机械性能改善。 ( 2 ) 滚动轴承支撑 目前常见的通用无刷电机都是内转子的，内转子电机的轴承支承方式都是采用传统电机 的支承方式。而外转子的支承方式与内转子电机的支承方式有很大的不同，要求在有限的铁 芯尺寸内布置下轴承，且要考虑铁芯的叠片误差等因素不能影响两轴承的同轴度。国外汽车 空调无刷电机的支承方式大都采用滑动轴承的方案。样机的设计是在有限的铁芯尺寸内装配 轴承座，以滚动轴承支撑旋转轴，这样可使风机的工作寿命显著提高，达8 0 0 0 小时以上。 ( 3 ) 智能化的单片机程序控制系统 样机系统采用最为通用的单片机控制，根据其工作特点，风机的控制系统中设有过电压、 欠电压、过电流、过热、堵转保护等功能，能在供电系统异常或工作环境异常的情况下保护 风机不受破环。它不仅保护了电机本身，而且不会造成风机在环境或外力作用下由于工作电 流过高引起线束、开关、保险丝等元件的工作电流过高发热损坏，杜绝了由于这些情况引发 汽车自燃的可能性。 ( 4 ) 采用数字滤波技术 汽车配置大量的汽车电子产品，电磁场干扰大，为保证风机与空调控制器间的接口信 号可靠，以及控制系统所采样的数据准确可靠，系统软件根据各采样数据的不同特点，分别 采取了平均滤波、6 滤波等方法消除干扰，使风机的运行平稳，消除信号波动引发的噪声。 1 3 2 工作原理 无刷风机的工作原理图如图1 3 所示： 图l - 3 车用空调直流无刷风机的工作原理 4 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 车用空调无刷风机的主要结构部件是叶轮和法兰盘底座，叶轮固装于由无刷电机驱动的 转轴上，从图1 3 中可以看出，样机的工作原理为：霍尔位置传感器将输出信号传递给微控 制器，经p w m 处理后，驱动无刷直流电机运转，同时无刷电机带动叶轮旋转，则叶片间的气 体随叶轮旋转而获得离心力，并使气体从叶片之间的出口处甩出，被甩出的气体流入机壳， 于是机壳内的气体压强升高，最后被导向出口排出。气体被甩出后，叶轮内的压强降低，外 界气体就能从风机的吸入口通过叶轮前盘中央的孔口吸入，源源不断地输送气体，从而达到 了风机连续输送气体的目的。 1 4 课题来源与论文的主要工作 本课题研究来源于福建省科技厅高校专项项目“车用空调无刷风机产业化的关键技术研 究”，项目编号为：“2 0 0 8 f 5 0 0 8 ”。论文主要开展以下几个方面的工作： ( 1 ) 对车用空调直流无刷样机的结构特点和原理进行分析，从理论上分析影响无刷风机 振动的各种因素，并建立整机的振动力学模型和微分方程，确定无刷风机的振动规律； ( 2 ) 设计风机的振动测试试验系统，确定最优的振动测试方案； ( 3 ) 对直流无刷风机进行振动测试和振动分析，确定引起风机振动的主要因素及其影响 规律； ( 4 ) 根据测试试验结果，改进直流无刷风机的减振结构设计，并进行前后试验对比；验 证改进效果； ( 5 ) 根据测试试验结果，改进动平衡方法，重新对样机进行动平衡完成后，进行试验对 比并验证改进效果，进一步降低产品的振动与噪声水平； ( 6 ) 基于现有的试验条件，测试风机的振动时，主要以风机振动时的功率谱( 频域的能量) 为振动的能量指标，减振后，样机在同等转速下振动时功率谱数值在现有的基础上降低3 0 以上。 5 车用空调直流无刷风机的减振研究 2车用空调直流无刷风机的振动分析 2 i 引言 样机在正常运行过程中的主要问题就是振动较大的问题，特别是当风机转速不断提高 时，振动的影响就特别突出。造成风机振动的原因很复杂，从振动形式上分，有径向振动、 轴向振动、扭转振动及摆振，有时几种振动会同时发生，从振动频率来说，可能同时包含着 从低频到高频等相当多的频率成分。但是，积累的大量经验告诉我们发生最多、危害最大的 是径向振动，因为风机系统在运转中，对转子的径向干扰力比较多，产生其他振动形式的干 扰力较少，一般力量也较弱，因此，风机的径向振动一直以来都是最主要的研究课题。本章 以风机的结构特点和工作原理为基础，从理论上分析了引起样机振动的几种因素及其产生的 原因，为其后的振动试验测试准确确定风机的振动原因研究奠定基础。 2 2 外转子叶轮质量不平衡 2 2 1 转子质量不平衡 ( 1 ) 质量不平衡的原理( 假设叶片均匀) 转子质量不平衡是引起无刷离心风机振动最常见的因素，它是由风机运动件质量偏心造 成的；样机的转子由于受到材料质量和加工技术等各方面的影响，转子上的质量分布对中心 线不可能绝对地轴对称，固此不可能做到绝对平衡，转子质量中心与旋转中心线之间总是有 偏心距存在，这就使转子旋转时形成周期性的离心力 干扰，在轴承上产生动载荷，使机器产生振动，我们 把旋转质量沿旋转中心线的不均匀分布称为质量不 平衡。样机转子质量不平衡的简图如图2 1 所示： 图2 1 中，0 为转轴中心，0 。为转子的质量中心， 0 与0 。不重合，即转子质量不平衡，风机旋转时存在 一径向离心力，此激振力将引起风机的振动。 根据转子惯性力系简化的结果不同，一般转子不 平衡可分为下列四种类型晦一： y 冈验 慰岁f 图2 - l 风机转子质量不平衡简图 l 、静不平衡：即主矢r o 0 而主矩m o = o ，如图 2 2 所示。静不平衡的转子只需在通过质心c 并垂直于z 轴的中心平面上的某一位置加重或 去重即可达到平衡； 2 、准静不平衡：即主矢r o 弓e o 且主矩m o ：o 但主矢r o 在主矩m o 所在的平面内，如图 6 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 2 3 所示。准静不平衡的转子只需在某一个特定平面上加重或去重即可达到平衡。 3 、偶不平衡：即主矢r o = 0 而主矩m o = ：0 ，如图2 - 4 所示。偶不平衡的转子须在垂直z 轴的任两个平面上的相反1 8 0 度的位置上同时加重或去重才能平衡。 4 、动不平衡：即主矢r o ：0 且主矩m o 0 的最普遍情况，如图2 5 所示。此时通过在 与z 轴垂直的任两个平面上的某位置加重或去重才能使之平衡。 图2 2 静不平衡 图2 - 4 偶不平衡 ( 2 ) 转子质量不平衡的特征 图2 3 准静不平衡 图2 - 5 动不平衡 不平衡的转子在旋转时将产生离心力，该离心力是一个矢量，其量值正比于偏心距、偏 心质量和转动角速度的平方哺9 1 。即： f = m r c 0 2式( 2 1 ) 式中f 一离心惯性力；m 一偏心质量；一转动角速度；，偏心距 信号特征 1 ) 时域波形为近似的等幅正弦波； 2 ) 振动频率：不平衡振动的频率成分单一且明朗，主要表现为振动的频率等于转子的旋 转频率，即工作频率f r = r i 6 0 h z n ，r l 为旋转轴轴转速( r p m ) ，除此之外，不平衡振动还会 激起其它一些弱小的频率成分，如1 2 f r 、2 f r 等谐波。 方向性：不平衡振动是由离心惯性力引起的，主要是径向振动较大； 转速关系：在小于临界转速下运行时，振动随转速变化明显。 7 车用空调直流无刷风机的减振研究 ( 3 ) 磁瓦质量不均匀引起的振动 磁瓦质量不均匀引起的振动也表现在风机的转子质量不平衡上，因为样机结构将电机外 转子的磁轭简化为一个简单的套筒，在套筒上均匀的贴上4 片磁瓦，然后以紧配合的方式压 入风轮，共同形成整体式的电机外转子风轮，所以磁瓦的制造和装配误差引起的质量不均匀 在风机转动时也将反映到转子的质量不平衡上。但作具体频谱分析时，磁瓦制造和装配误差 引起的振动频率分量为：户和6 0 h z 。 2 2 2 叶轮装配偏心 ( 1 ) 引起叶轮偏心的因素 旋转轴的制造误差； 叶轮叶片材料不均匀的制造误差； 离心风机在制造、装配过程中，旋 转轴和叶轮孔的装配偏差。 ( 2 ) 叶轮装配偏心的振动分析 根据风机的速度三角形理论和基本 方程式n h1 2 一羽，叶轮偏心时的分析简图如 图2 - 6 所示。 图2 - 6 中，0 为叶轮圆心，0 。为叶轮 的质量中心，假设此时转轴的中心也在0 。， 图2 - 6 叶轮偏心时的分析简图 则转轴轴心和叶轮质心重合，此时叶轮旋转时不存在质心偏心引起的离心激振力，但由于叶 轮和转轴的偏心，根据速度三角形，a 点和b 点流出气体对转轴轴线的动量矩为： k a 2 pg ，rhi i = pq ，7 v 1 巧c o s c z 式( 2 - 2 ) k b 2 pq ，7 tv 2z 2 = pq ，ry 2r 2c o s 式( 2 3 ) 因为 r 2 ，v 1 v 2 ，所以k a k b ，作用在转轴中心上的这一对动量矩不平衡。按照动 量矩定理，动量矩的变化应等于所有外力对转轴的力矩m ，作用在1 、2 断面上及前后端面 的压力对转轴的力矩为零，忽略叶轮旋转时的摩擦力矩，则外力矩m 就是原动机输入的转矩， 即m a m b ，对整个风机叶轮来说，其他点作用在其上的动量矩也不平衡，则原动机在每个点 上输入的转矩不一样，造成风机在运行过程中，作用在叶轮上的平均电磁转矩存在波动，因 而会引起整个叶轮在旋转过程的振动。 而当将风机放入蜗壳等约束状态中时，叶轮偏心的振动和噪声还主要表现在气动因素 上，因为每当叶片通过风舌一次，在风舌上就有一个脉冲，反过来给叶片也是一个脉冲，这 种脉冲也将造成风机在运行过程中有规律的脉动。 8 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 ( 3 ) 叶轮装配偏心的振动特征 叶轮偏心的振动主要表现为旋转轴装配偏心后呈现出叶片不均匀的特征，这种振动具有 确定的频率，它可由下式计算n 如1 5 1 氐例： 力= n z 6 0 ( h z )式( 2 - 4 ) 式中露一叶片转速r p m ：z 一叶片数 2 3 直流无刷电机的转矩脉动 传统意义上来说，把具有梯形波反电势的永磁同步电机称为直流无刷电机n 钔。如果将无 刷电机应用到汽车空调系统中以取代现有的有刷电机，不仅能提高风机的效率，而且风机的 使用寿命会延长、工作噪声和电磁波污染也会得到有效的抑制，能有效地降低汽车空调系统 的能耗，减小对车载电子产品的电磁干扰，净化车载电子系统和无线通讯设备的工作环境。 然而，由于电机本身及供电系统等原因，电机运转时存在着固有转矩脉动大的缺点，制约了 其在要求高精度高稳定性场合的应用，解决其转矩脉动问题一直是工程技术工作者研究的热 点和难点n9 孤2 1 朋确- 2 4 。 2 3 1 换相脉动 ( 1 ) 换相脉动的原理 图2 - 7 无刷电机换相原理图 图2 7 所示为无刷电机的换相原理图，控制系统根据霍尔位置传感器所感应到 的霍尔位置信号决定开启( 或关闭) 逆变器中功率管的顺序，如图2 7 中的t 1 、t 3 、 t 5 ( 这些称为上桥功率管) 及t 4 、t 6 、t 2 ( 这些称为下桥功率管) ，使电流依序流经电机 线圈产生顺向或逆向的旋转磁场，并与转子磁轭总成相互作用以推动电机旋转，使电机 顺时针或逆时针运动。当电机转子转动，霍尔位置传感器感应出另一组信号的位置时，新 的编码又改变了功率管的导通组合，控制部分又再开启下一组功率管，如此循环下来，无刷 直流电动机就产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。电机转子要以相反运动时，则只需按反 9 车用空调直流无刷风机的减振研究 向顺序开启功率管即可达到电机反转的目的。 样机中无刷直流电动机参数：相数( m ) = 3 ，极对数( p ) = 2 ，定子齿槽数( q ) = 6 ；三相定子 绕组采用两两导通的工作方式，每隔6 0 。换相一次，电子元件的导通方式为：t 1 一t 6 、t 1 一t 2 、 t 3 一t 2 、t 3 - t 4 、t 5 - t 4 、t 5 - t 6 ，每个电子元件导通1 2 0 。定子绕组根据转子位置检测器 的信号按一定顺序换流，由于各相绕组中存在电感，阻碍电流的瞬时变化，电流从一相换 到另一相时将产生转矩脉动。 以a 相到b 相换流，c 相为非换相相为例分析换相过程： 换相时，电磁转矩的表达式可以写成心鲥： = 惫 ，+ 而v - 4 e 由式2 5 可见，当v = 4 e 时，z = 面2 e i ，转距不变；l 当v 4 e 时，疋五2 e = i ，转距增大。 电机在不同的速度区间，反电动势、直流母线电压和换相电磁转矩三者有图2 - 8 中所示 的关系乜乱2 7 驯，图中( a ) 、( b ) 、( c ) 分别对应中、高、低速时运行特性。 础 k f b y 一、，、v o ； l 、一 ，v v，、，v 、 霸a面 0 4 4 n 、 义 0 t o t l c ( a ) 4 e - - v炒v jk ，、一磨毡绝 、 0 t o t 零 ，、，- v 。 ( c 弘e v 图2 - 8 直流电机换相电流变化图 从图2 8 中也可见，由于在换相过程中关断相和开通相电流变化率的不相等，使得非换 相绕组电流在换相期间发生变化，在低速区换相期间，由于关断相电流下降率慢于开通相电 流上升率，造成非换相相电流凹陷，使换相期间电磁转矩增大。在高速区换相期间，由于关 断相电流下降率快于开通相电流上升率，造成非换相相电流凸陷，使换相期间电磁转矩减小。 下面根据直流无刷电机的一般数学模型，具体推导其转矩脉动的变化，以了解换相脉转 矩动的影响，首先做如下假设： 1 0 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 假设磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗； 电机定子绕组自感和互感为常数： 三相绕组完全对称，不考虑电枢反应； v 4 e 。 则无刷直流电机的等效电路模型啪一1 矧如图2 - 9 所示： i a r l m u a u b u c 电机的电压方程为： ：口1 盯 图2 - 9 无刷直流电机的等效电路 蚕0 r 墨量0 茎 + 三j 0 ml m 三呈0 肘 詈 差 + 圣 式c 2 6 ， + l h + f i 式( 2 - 6 ) oo r 刖loo 三一肘j 岛hh 上式中：u a 、u b 、u c 为定子相绕组电压( v ) ；a 、i b 、c 为定子相绕组电流( a ) ； e a 、e b 、e c 为定子相绕组电动势( v ) ；l 为每相绕组的自感( h ) ；j | i ，为每两相绕组间的互 感( h ) ，并且电动机的电磁转矩为船2 1 ： ! ( e j o + + 巳之) 式( 2 7 ) 式2 7 中：【) 为电动机的机械角速度。 以图2 - 9 中上桥由a 相换到b 相为例： 电机在非换相期间的电磁转矩为： 毛：丝 国 式( 2 8 ) 在第一个换相阶段期间内的电磁转矩为： k l ( e o i o + e b i b + e 。i 。，= 扭+ 戳埋，= 串 + 掣卜铷 式( 2 9 ) 则在第一个换相阶段内的脉动转矩为： 正= 乙，一乙= e ( z , , v 3 - r 3 v - 2 e ) l - 一p ( 2 - 1 0 ) 同理，电机在第二个换相阶段内的电磁转矩为： 车用空调直流无刷风机的减振研究 。等= 和+ 一一a v - 2 e p 因此，在第二个换相阶段内的脉动转矩为： 正= 乙：一乙= 珥e ( a v + 盯2 e x 2 v 肌- 2 a 2 v 剀+ 2 e ) 走肌1 上式中：e 为电机的反电势，v 为电机实际的线电压，为电机角速度，t 为电机电磁 时间常数。 从等式2 1 0 和2 1 2 可以看出，在非重载条件下，电机线电压不变时换相，换相过程中 电机的转矩脉动是减小的，并且转矩脉动表达式和换向转矩脉动最大值为： 耐= 掣r c o 卜- f 1 3 il 叫j 互, 一e ( 4 e 2 一- v 2 ) o , r ( s v 2 e i p ，r o ，f ” 一)l 叫j m a x r ，：垒坚墨：二竺：2 ：2 e 1 2 e + r i c o r ( s v 一2 e c 0 4 e + 5 r 从式2 1 3 中看出，换相转矩脉动不仅依赖于电机电流，而且依赖于电机的反电势e ， 并且转矩脉动的相对值可以达到5 0 ，其脉动对电机性能的影响是很大的。 ( 2 ) 换相脉动的频率 当直流无刷电动机换相时，电枢电流将发生脉动。假设电机相数为m ，并有p 对极，则 随着转速变化，直流电机换相所产生的电流脉动频率为： 丘= 三等i - i z 式( 2 - 1 4 ) 样机用直流电机参数m = 3 ，p = 2 ，所以直流电机换相的电流脉动频率为转子转动时工作 频率的1 2 倍频。 2 3 2 齿槽脉动 齿槽转矩是电机绕组在不通电的状况下，由永磁体产生的磁场同有槽电枢铁心的齿槽相 互作用产生的，可直接或通过机械装置传给负载，引起速度波动，产生振动和噪声，还会影 响电机在速度控制系统中的低速性能和高精度定位口3 ，蚓。 ( 1 ) 转矩特性分析 永磁电机储存在磁场中的共能建立的转矩t m l ： t ：三f ：丝一! 西z 塑+ 朋堂 2 d o2 d od o 1 2 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 式2 1 5 中：r 为磁阻，咖为气隙磁通，n 为线圈匝数。 其中第一项表示绕组电感随位置变化建立了转矩，其与绕组分布相关；第三项表示运动 过程中电磁的相互作用，是电机的有效转矩。第二项表示磁阻随位置变化产生的齿槽脉动转 矩t c ，它与绕组电流无关。 ( 2 ) 齿槽转矩的傅里叶分析 根据机电能量转换中的能量方法，齿槽转矩可由计算电枢绕组开路时，电机等效气隙中 所含能量( 包含磁钢中的能量) 随机械角鼠的变化而求得，即： t ：- a w g a o o w a = d a 鸬产础a 式( 2 1 6 ) 式( 2 1 7 ) 式2 1 7 中：等效气隙磁密b 为电枢周向坐标0 、0 0 和轴向坐标，的函数，d a 为电枢直 径，g 为气隙长度，h f 为磁钢厚度。 b ( 0 ，0 0 ，) = h ( o ) f ( o ，0 0 ，z ) ，其中，f ( o ，0 0 ，z ) 为磁钢磁势。 经过傅立叶变换后： 人( 9 ) = 人e o s ( k q 0 ) 式( 2 1 8 ) k f ( 0 ，0 。，z ) = 工c o s 2 p v ( o - 0 。) 式( 2 1 9 ) 值。 其中：q 为定子槽数，1 9 为极对数，a k 为第k 次磁导谐波幅值，f v 为第v 次磁势谐波幅 经过一系列代入转化后，式2 1 7 变为： = 丢见，芦人卢厶虑c 。s ( 卢p ) c 。s 一瓯) 硼 式( 2 - 2 0 ) 式2 - 2 0 表示：齿槽脉动谐波是由磁导谐波与磁势谐波共同作用的结果。 由傅立叶函数系的正交性得到，只有相同次数的磁势谐波和磁导谐波才能产生力矩，当 n 为q 和2 p 的公倍数时： 乃= 一詈d 。，肚。正2s i n f l 0 。 o 加 式( 2 - 2 1 ) 其中：1 3 为齿槽转矩的次数，等于q 和2 p 的公倍数。 由上可得：无刷直流电机齿槽转矩的次数是定子齿槽数q 与极数2 p 的公倍数；其中， 1 3 车用空调直流无刷风机的减振研究 基本齿槽转矩的次数为q 与2 p 的最小公倍数。 样机用直流电机参数q = 6 ，2 p = 4 ，q 与2 p 的最小公倍数为1 2 ，即基本齿槽转矩的次数 也为转子转动时工作频率的1 2 倍。 2 3 3 电磁脉动 电磁转矩脉动是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动口7 1 。它与电流的波 形、反电势的波形、气隙磁通密度的分布有直接的关系，理想情况下，定子电流为方波，反 电势波形为梯形，其波形平项宽度等于电角度。直流无刷电机的理想工作状态嘲( 反电动势 波形为1 2 0 。宽的梯形波，相电流为1 2 0 。宽的矩形波) 如图2 1 0 所示。 理想的工作条件下，直流无刷电机的 v 转矩保持恒定。但在实际电机中，由于定 子绕组有电感，在换流过程中电流不能 突变，进入定子绕组的电流不可能是方 波，它只能近似地按梯形波变化，且由于 设计和制造方面的原因，有可能使电动 势不是梯形波，或者波项宽度不是电角 度或者由于转子位置检测器和控制系统 的误差等都造成电流与电势波形不能保 持严格同步的因素，都会产生转矩脉动。 2 3 4 机械工艺引起的脉动 庙酾il 户 ! f 一 i iyi u i l i l j 翌 春fil 脯： ：一：一； 图2 i o 直流无刷电机反电势和相电流模型 定子绕组各相电阻电感参数不对称、转子位置传感器的安装不准确或安装精度不高、永 磁体性能不一致等机械加工因素也是引起转矩脉动的重要原因之一。 2 4 风机的简化模型 2 4 1 简化的基本原则 一般而言，工程实际中的振动系统都是连续弹性体，只有掌握无限个点在每瞬时的运动 情况，才能全面描述系统的振动。因此，理论上它们都属于无限多自由度系统，需要用连 续模型才能描述，但实际上往往可以通过适当的简化，归结为有限多个自由度的模进行分析， 将系统抽象为由一些集中质量和弹性元件组成的模型h 仉1 2 1 。所谓简化模型就是以某些主 要参数如质量弹性刚度、阻尼系数等表示的力学模型，在这些参数中，有些可以通过计算获 得，有些则要通过实际测量获得。简化模型是进行各种理论研究必不可少的依据，在把机械 系统简化为等效的力学模型时，必须忽略一些次要因素，同时应用等效原则n 3 一 ，作某些 1 4 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 假设，突出问题的主要方面。简化模型决定了分析过程的难易程度和分析结果的可靠程度， 在建立各种机构和机械系统的动力学数学模型时应遵循如下原则： l 、将连续系统简化为离散系统； 2 、非线性系统进行合理的线性化； 3 、依据系统本身的结构特点，抓住最本质的特征，忽略一些细微部分，抽取出最能反 映该系统结构特性的简单模型，如忽略轴上的一些质量小的零部件； 4 、依据具体问题的要求，抓住最主要的影响因素，忽略一些次要的影响因素，得到既 满足精度要求又易于计算的模型，如忽略阻尼的影响等。 2 4 2 力学模型 从样机的结构特点等分析，正常运行时，风机在受到各种力后振动形式主要表现为径向 振动、轴向振动、扭转振动、摆振等。本文主要分析其径向振动，在过主轴中心线的垂直平 面上建立其径向振动力学模型；为方便建模，建模前先对风机做一试验研究：验证叶轮装配 偏心对风机振动的影响。 方法为：将风机置于自由状态的试验台上，将转速调节到1 8 0 0 r p m ，待运行稳定后，采 集径向振动信号( 试验仪器、测试系统的连接等见第五章) 并进行频谱分析，得到的功率谱 图如图2 11 所示： 图2 1 1 自由状态下风机的频谱图 当风机以1 8 0 0 r p m 正常运行时，转子振动的频率为f l = 3 0 h z ，试验样机的叶片数为 4 l ，叶轮偏心( 叶片不均匀) 引起的振动频率为厂= 3 0 4 1 = 1 2 3 0 h z ，从图2 1 1 可以看出， 在频率1 2 3 0 h z 的分量处，相对应的功率谱图中并没有突出的峰值，即自由状态下叶片不均 匀对风机振动的影响不是很大，可以忽略。 再将风机置于蜗壳中，转速也调节为18 0 0 r p m ，运行稳定后，同样采集风机的径向振动 信号并进行频谱分析，得出的频谱图如图2 1 2 所示： 1 5 车用空调直流无刷风机的减振研究 从图2 1 2 中可以看出，在频率为1 2 3 0 h z 的分量处，对应的功率谱图中也没有突出的峰 值，即约束状态下叶片不均匀对风机振动影响也不大。 从上述试验中可知，在正常运行过程中，叶轮装配偏心( 叶片不均匀) 对无刷直流风机 振动的影响不大，可以忽略掉，因此，为简化分析，本研究在建模过程中不考虑叶轮偏心对 风机振动的影响；离散化模型时做以下简化处理： 上减震垫片、下减震垫片质量较轻，将其简化为一弹簧和阻尼系统； 上线架、下线架、轴承座、铁芯、线圈等合成支撑结构视为刚性支撑，不考虑其弹性； 压坏、防滑螺母等部件的质量较轻，对电机轴变形和计算系统固有频率等影响不大， 故在结构分析时将其作为次要因素略去； 假设减震垫片的刚度远小于滚动轴承的刚度。 综合以上考虑后，车用空调离心风机的等效系统力学模型如图2 1 3 所示： 其中：k l 、c l 为上减震垫片的等效刚度和阻尼，k 2 、c 2 为下减震垫片的等效刚度和阻尼，k 3 、c 3 为上下 减震垫片的综合等效刚度和阻尼 图2 1 3 风机的等效系统力学模型 因为主要讨论风机的径向振动，可作进一步简化，将上下垫片的简化合成为一等效弹簧 和阻尼系统，简化后的力学模型如图2 1 4 所示： 1 6 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 k 、c 叼为上、下减震垫片的合成等效刚度和阻尼 图2 - 1 4 简化的风机力学模型 将叶轮、钢圈、磁瓦、铁芯、线圈、上下线架、旋转轴、滚动轴承、轴承座等等效为一 总体质量m 叼，则径向方向的力学模型简化后等效如图2 - 1 5 ： 图2 1 5 径向的简化模型 2 4 3 数学模型 由于叶轮尺寸大、加工误差、安装不对称等因素，在转子上有一不平衡质量，设不平衡 质量距旋转轴心距离为，大小为m ，如图2 1 6 所示： 图2 - 1 6 风机转子质量不平衡示意图 图2 1 7 受迫振动简图 1 7 车用空调直流无刷风机的减振研究 则作用在转子上的不平衡离心力为f = a m - c 0 2 ，( r 为不平衡质量距旋转轴心距离) 按 照动能定理，将叶轮、钢圈等转子视为刚性体的质量等效为m ，因为不平衡引起的激振力为 一周期性的简谐力，所以风机的振动就可等效为一质量弹簧阻尼组成的单自由度的、激励为 简谐力的受迫振动h 5 1 ，如图2 1 7 所示。这一模型的运动微分方程为： m 叼x + c 叼x + 玉0 x = f s i n c o t 式( 2 - 2 2 ) 振动方程求解： 系统解为瞬态解和稳态解两部分组成，x ( f ) = x 1o ) + x 2 ( f ) ； x l ( f ) 是齐次方程通解：而( ) = e - 饥( c l c o s c o d t + c 2s i n c o d t ) 是瞬态响应，随着t 的 增加，逐渐衰减到o ；x 2 ( f ) 是非其次方程的特解，是一种持续的等幅振动，是稳态响应， 其频率和激振力的频率相同，所以在此只是讨论稳态响应。 转子质量不平衡所引起的系统瞬态振动实则是振动频率为c o d 的简谐振动x l o ) 和频率 为的简谐振动x 2 ( ，) 的合成运动；其稳态响应是频率为c o 的简谐振动x 2 0 ) ； 鼢2 甜s i n ( 卅咖则毫= x c o c o s ( c o t 刊= x c o 咖悟+ c o t 一妒i t = 砒。s 隆妒 - 腻m k 妒】 f s i nc o t