電動(dòng)汽車電池散熱風(fēng)扇徑向振動(dòng)測試與減振方法

任金波，張 翔，胡冰樂，施火結(jié)

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福州 350002；2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引言

蓄電池是電動(dòng)汽車的核心部件，直接影響著汽車的使用性能和續(xù)駛行程等，是純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。蓄電池不論采用鎳氫電池還是鋰離子電池，在大電流工作或充電過程中，因蓄電池內(nèi)阻而產(chǎn)生大量熱能，從而引起蓄電池溫度快速升高和電解液汽化，如不對其進(jìn)行強(qiáng)制散熱，溫度過高后可能導(dǎo)致蓄電池爆炸而產(chǎn)生危險(xiǎn)[1]。因此，要保證電動(dòng)汽車可靠安全行駛，需采用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制散熱以抑制蓄電池在汽車行駛或充電過程中的溫升。

文獻(xiàn)[1]已對新能源汽車中電池散熱風(fēng)扇的軸向振動(dòng)進(jìn)行了分析，并研究了改進(jìn)方法，減少了軸向方向上的振動(dòng)能量，為了更加提高現(xiàn)有電池散熱風(fēng)扇產(chǎn)品的安全可靠性，需對其徑向振動(dòng)進(jìn)行減振研究，以期達(dá)到產(chǎn)品振動(dòng)要求的水平。

1 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1為福州某電氣有限公司提供的電動(dòng)汽車電池散熱風(fēng)扇實(shí)物圖。機(jī)械部分主要由葉輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)、電機(jī)支撐、減振結(jié)構(gòu)和風(fēng)扇底座等構(gòu)成。

1.1.1 葉輪結(jié)構(gòu)

葉輪是散熱氣流產(chǎn)生的部件，散熱風(fēng)扇采用離心結(jié)構(gòu)，通過風(fēng)扇葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力使空氣獲得動(dòng)能，改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和葉片的安裝角可改變風(fēng)扇的額定風(fēng)量，設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)葉的安裝角小于90°，即前向葉形，利于在保證風(fēng)量≥180m3/h的前提下縮減風(fēng)輪的軸向和徑向尺寸，方便在車上的布置。

圖1 電池散熱風(fēng)扇

1.1.2 回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)

電池散熱風(fēng)扇回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)和車用空調(diào)直流無刷風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一致，風(fēng)輪與轉(zhuǎn)子不是獨(dú)立的兩個(gè)零件，而是將電機(jī)外轉(zhuǎn)子的磁軛簡化為一個(gè)簡單的套筒，然后以緊配合的方式壓入風(fēng)輪，共同形成整體式的回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)[2]（專利號(hào)：200620009974.7）。

1.1.3 電機(jī)支撐結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用無刷電機(jī)，支撐采用整體式滾動(dòng)軸承支撐結(jié)構(gòu)，如圖2所示，軸承座與風(fēng)扇底座制成一體，其前后兩端設(shè)有用于固定兩滾動(dòng)軸承的同軸臺(tái)階孔，電機(jī)軸和滾動(dòng)軸承內(nèi)圈相配合。整體式軸承座替代了傳統(tǒng)的獨(dú)立分離軸承座，使裝配后的兩軸承同軸度不受定子疊片誤差和軸承座的裝配誤差的影響，可提高風(fēng)扇的裝配精度。

1.1.4 減振結(jié)構(gòu)

減振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到風(fēng)扇的振動(dòng)與噪聲水平，電池散熱風(fēng)扇采用兩級減振結(jié)構(gòu)，第一級減振結(jié)構(gòu)設(shè)置在風(fēng)扇電機(jī)定子與法蘭盤底座間的裝配位置上。第二級減振結(jié)構(gòu)設(shè)在底座與蝸殼的裝配間。兩級減振通過在固定位置加入彈性減振套，然后再以螺釘緊固和預(yù)緊的方式實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)和工藝簡單。

圖2 整體式軸承支撐結(jié)構(gòu)

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

電機(jī)控制電路由電源穩(wěn)壓模塊、電源電壓檢測調(diào)理模塊、電機(jī)相電流檢測調(diào)理模塊、控制接口模塊、過流保護(hù)模塊、過熱保護(hù)模塊、單片機(jī)系統(tǒng)和由MOS管構(gòu)成的H橋驅(qū)動(dòng)逆變模塊組成。通過單片機(jī)對母線電壓、電機(jī)相電流、母線工作電流、接口信號(hào)和溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測，實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇高效、安全可靠工作。

2 徑向振動(dòng)測試

2.1 測試儀器

試驗(yàn)時(shí)，采用壓電式加速度傳感器采集電池散熱風(fēng)扇的振動(dòng)信號(hào)，并將采集的信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理后，在分析軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。試驗(yàn)采用的儀器如表1所示。

2.2 測試位置

風(fēng)扇回轉(zhuǎn)體工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，無法安裝傳感器，但運(yùn)動(dòng)過程中回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的振動(dòng)會(huì)傳遞到底座法蘭盤上，試驗(yàn)時(shí)，將在法蘭盤上安裝傳感器對風(fēng)扇進(jìn)行徑向振動(dòng)測試，如圖3所示。

圖3 測點(diǎn)位置

2.3 測試實(shí)驗(yàn)

將風(fēng)扇置于振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，將其工作轉(zhuǎn)速從1200r?min-1每隔100r?min-1調(diào)節(jié)到3000r?min-1，每增加100r?min-1，當(dāng)風(fēng)扇運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，用測試儀器對所測得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，得到風(fēng)扇在1200～3000r?min-1工作時(shí)的功率譜數(shù)據(jù)。因數(shù)據(jù)較多，圖4所示為風(fēng)扇在1500r?min-1和2400r?min-1轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行測試得到的徑向功率譜圖。

2.4 振動(dòng)原因分析

從圖4中的頻譜圖分析中看出：當(dāng)風(fēng)扇以1500r?min-1的速度穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，徑向方向上振動(dòng)的能量在25Hz的頻率分量處存在較大的幅值；當(dāng)風(fēng)扇以2400r?min-1的速度穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，徑向方向上振動(dòng)的能量在40Hz的頻率分量處存在較大的幅值。其他頻率諧波如4倍頻、12倍頻分量上對風(fēng)扇的振動(dòng)也有一定影響，但振動(dòng)幅值較小。振動(dòng)能量在1倍頻分量處幅值較突出，因此，1倍頻分量處頻率為影響風(fēng)扇振動(dòng)的最大因素。

影響風(fēng)扇徑向振動(dòng)的因素主要有回轉(zhuǎn)體加工不均勻或因風(fēng)壓導(dǎo)致零件變形而造成風(fēng)扇轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、磁瓦加工和裝配不均勻、旋轉(zhuǎn)軸磨損而造成質(zhì)量偏心、軸承磨損造成軸承滾動(dòng)體與其接觸工作表面形成較大的間隙、裝配誤差和軸承安裝不對中、直流無刷風(fēng)扇裝配后定轉(zhuǎn)子間隙不均勻產(chǎn)生的單邊磁拉力、減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、電機(jī)的換相脈動(dòng)、齒槽脈動(dòng)、電磁脈動(dòng)等。對上述各因素進(jìn)行頻率分析，結(jié)合1倍頻分量處頻率為影響風(fēng)扇振動(dòng)的最大因素，認(rèn)為回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)質(zhì)量不平衡是影響風(fēng)扇徑向振動(dòng)的最主要原因。其他4倍頻、12倍頻分量處的頻率小振動(dòng)主要是由磁瓦裝配不均勻和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的，在徑向振動(dòng)中不予考慮。

表1 測試儀器

圖4 徑向功率譜

3 減振方法

抑制風(fēng)扇振動(dòng)的方法主要有[3,4]：在振源與受迫振動(dòng)體之間增加減振或隔振裝置；消除、減弱和抵消振源的振動(dòng)來減少振動(dòng)的傳遞；改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)型式和材料。

3.1 風(fēng)扇回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)動(dòng)平衡

解決回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)質(zhì)量不平衡的問題主要是對其回轉(zhuǎn)部分（即轉(zhuǎn)子）進(jìn)行高精度動(dòng)靜平衡[5,6]。采用自主研發(fā)的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)裝置對風(fēng)扇回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)現(xiàn)場進(jìn)行高精度動(dòng)平衡，如圖5所示。動(dòng)平衡后，葉輪兩個(gè)葉片上共加了0.6g的動(dòng)平衡夾。

圖5 風(fēng)扇回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)動(dòng)平衡

動(dòng)平衡后，將風(fēng)扇置于搭接的測試試驗(yàn)平臺(tái)，從轉(zhuǎn)速1200r?min-1開始測試風(fēng)扇穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)，每隔100r?min-1測試一次，直至風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速3000r?min-1，測試完成后，得到動(dòng)平衡前后風(fēng)扇回轉(zhuǎn)體在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的1倍頻功率譜圖曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，動(dòng)平衡后風(fēng)扇在徑向上的振動(dòng)能量有所降低，高轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)的功率譜最高降幅達(dá)71.4%。但風(fēng)扇在高轉(zhuǎn)速時(shí)殘余不平衡量引起的振動(dòng)仍對風(fēng)扇有較大影響。

圖6 動(dòng)平衡前后徑向功率譜

3.2 改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)與材料

3.2.1 改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)

風(fēng)扇電機(jī)定子與法蘭盤底座的連接處設(shè)計(jì)有梅花形減振結(jié)構(gòu)，以減緩風(fēng)扇工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)向底座傳遞，減振墊片結(jié)構(gòu)如圖7所示，將現(xiàn)有風(fēng)扇的梅花形減振墊改為圖8所示三種不同的結(jié)構(gòu)型式。

圖7 改進(jìn)前減振結(jié)構(gòu)

圖8 改進(jìn)后的減振結(jié)構(gòu)

將風(fēng)扇置于測試試驗(yàn)臺(tái)，分別測試三種不同減振結(jié)構(gòu)的減振效果，從轉(zhuǎn)速1200r?min-1開始測試風(fēng)扇穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)，每隔100r?min-1測試一次，直至風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速3000r?min-1，測試完成后，得到三種不同減振結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的1倍頻功率譜圖曲線，如圖9所示。從圖9中可以看出，改進(jìn)后第2種減振結(jié)構(gòu)效果較好，風(fēng)扇的徑向振動(dòng)能量在整個(gè)工作范圍內(nèi)都有較大改善，且振動(dòng)的變化較為平穩(wěn)。

圖9 改進(jìn)結(jié)構(gòu)前后徑向功率譜

3.2.2 改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)的材料

減振材料對風(fēng)扇的減振性能影響較大，將改進(jìn)后減振結(jié)構(gòu)2的材料由石墨尼龍改為熱塑性硫化膠（TPV），邵氏硬度A45。改進(jìn)后，再次進(jìn)行振動(dòng)測試，得到改進(jìn)前后1倍頻功率譜圖曲線，如圖10所示。從圖10中可以看出，改進(jìn)減振材料后，風(fēng)扇在在低速范圍運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)平穩(wěn)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)能量有進(jìn)一步降低。

綜合考慮改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)和材料后，風(fēng)扇穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)在最高點(diǎn)處的功率譜密度由485.17mv2/Hz下降至100.01mv2/Hz，徑向振動(dòng)的能量降幅達(dá)79.4%。

圖10 改進(jìn)材料前后徑向功率譜

表明在風(fēng)扇在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的徑向振動(dòng)能量已得到有效控制，極大降低了振動(dòng)水平。

4 結(jié)論

通過對電動(dòng)汽車電池散熱風(fēng)扇進(jìn)行徑向振動(dòng)測試，得到了影響風(fēng)扇徑向振動(dòng)最大的因素為回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)質(zhì)量不平衡；對風(fēng)扇回轉(zhuǎn)體進(jìn)行動(dòng)平衡，可使高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下徑向振動(dòng)的能量下降71.4%；改進(jìn)減振結(jié)構(gòu)和材料可使其振動(dòng)變化較為平緩，在最高點(diǎn)處徑向振動(dòng)能量下降79.4%，從而極大的降低了風(fēng)扇徑向方向上的振動(dòng)水平。

[1]任金波,張翔,施火結(jié).新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動(dòng)分析與改進(jìn)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,38(4):25-29.

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