汽车空调无刷风机振动测试试验系统研制与应用

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作者简介：任金波(1982－)，男，助理实验师，硕士，研究方向：机电一体化。

汽车空调无刷风机振动测试试验系统研制与应用

任金波 张翔

(福建农林大学机电工程学院,福建 福州 350002)

摘 要：阐述了汽车空调直流无刷风机的结构，并针对其结构设计了有效的振动测试试验系统，将风机进行振动测

试后，找出了影响其振动的主要因素，实际应用效果较好。

关键词：汽车空调；直流无刷风机；测试试验系统；应用

中图分类号：U463.85┼1 TH825 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2011)05-100-03

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。因此在汽车空调上用无刷电机替代有刷电机是技术发展的趋势。目前，福州某公司已完成国内首个车用空调直流无刷风机的研制工作，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，需对现有样机产品进行振动测试试验，找出影响其振动的主要因素，研究减小风机振动的有效措施，使风机能够得到实际应用。

1 测试试验系统研制

1.1 样机结构

福州某公司提供的汽车空调直流无刷风机样机结构如图1、图2所示。从图1中可以看出，风机主要由以下几个部分组成：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、上下减震垫、法兰盘等[1]。图2为其提供的汽车空调直流无刷风机样机实物图。 1.2 测试原理

在振动与噪声信号的测量分析中，首先要利用传感器把声压信号或加速度信号转换成电信号，通过放大处理后再进行测量和分析[2]，信号在量化、截取过程中很容易产生信号失真，因此在采样过程中要符合采样定理；在测量过程中，还会不可避免的渗入一些干扰信号，这就要对信号进行放大、滤波等预处理，滤除信号中的干扰成分，从而提取有用信息[3]。最后对信号进行频谱分析，频谱分析后得到的幅值谱或功率谱等可以提供以下的振动信息：

图1 样机结构简图

1.法兰盘；

2.线架；

3.线圈；

4.叶轮；

5.轴承座；

6.铁芯；

7.旋转轴；

8.滚动轴承；

9.磁瓦

图2 样机实物图

1) 振动信号中主要由哪些频率成分及谐波分量所组成；

2) 谐波分量中哪些成分幅值相对较为突出，这反映该频率分量的振动相对较大。 1.3 试验系统研制

根据样机产品结构设计出的振动测试系统框图如图3所示。

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第5期 任金波 等：汽车空调无刷风机振动测试试验系统研制与应用 101

图3 测试系统框图

测试系统主要包括两个部分的内容： 1) 信号采集与调理

包括有压电式加速度传感器、滤波积分放大器。传感器获取被测振动加速度信号，并将其转换为电荷信号，之后，信号被送到滤波积分放大器进行放大、低通滤波处理。

2) 信号分析与处理

包括信号采集仪及计算机数据处理系统。调理后的信号经数据采集仪进行A/D 转换后变成数字信号即可被计算机识别，上位机采用软件系统

对其进行分析处理。

由于风机的特殊结构和振动类型，为了得到准确的测试数据，设计测试试验系统时，关键是

对测试部位的选择和传感器的安装。

1) 测试部位的选择

样机转子是一个高速旋转的部件，直接在转子上安装传感器对其进行测试不太容易实现，在运动过程中，转子的振动会通过旋转轴传递到轴承和法兰盘上，所以，试验时对风机的振动将通过对法兰盘同一测点进行振动测试来实现。

2) 传感器的安装

传感器采用磁铁座安装，磁铁座的优点是不破坏被测物体，且方便可靠。振动测试时其安装方式如图4所示。 1.4 试验系统实体

设计完成的风机振动测试的试验系统如图5所示。

图4 传感器安装图

图5

测试系统连接实体图

1.样机；

2.

加速度传感器；3.电荷放大器； 4. 数据处理仪；5.软件系统

2 应用实例

将动平衡完成后的样机叶轮装配到整机，置于振动测试试验系统平台上，鉴于径向振动对风机的影响较大，试验时主要采集径向传感器信号并对其进行分析处理，得到风机在2000 r/min 、3000 r/min 速度下径向振动试验的波形图和频谱图(如图6、图7所示)。

图6 风机2000 r/min 径向振动时的波形图和频谱图

机电技术 2011年10月

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图7 风机3000 r/min 径向振动时的波形图和频谱图

1) 从测试频谱图6、图7中及其相对应的数值分析中可以得出：风机在1200 r/min 到3000 r/min 转速运行时，径向响应频谱中的频率分量以转子转速的1倍频占主导地位, 伴有2、3、4倍频分量，振动能量主要集中在转速的1倍频上，此频率正好是工作转速相对应的工频成分，其他频率成分振动较小。引起这些频率分量振动的主要因素可能有：同频离心力引起；其他激振力通过其固有频率引起。通过分析样机的转子结构特点与加工工艺，发现这些频率特征正好与转子的不平衡特征相吻合，因此认为风机转子质量不平衡严重是影响其振动的一个主要因素。

2) 从频谱图图6、图7还可以看出：振动的能量除了在转子转速的1倍频处有明显的分量之外，在转速的12倍频处也存在较大的幅值，通过分析得到转子转速的12倍频振动分量处的频率

正好等于风机结构中直流无刷电机的换相脉动频率和齿槽脉动频率，由此可知无刷电机的换相脉动和齿槽脉动也对风机的振动造成较大的影响。

通过对风机进行一些改进措施如：对风机叶轮重新进行精密动平衡、改进磁轭与磁瓦的装配及磁轭总成与叶轮的装配工艺、提高重要零部件的加工精度等后，再对风机进行振动测试，结果发现风机运转时的振动明显减小。

3 结论

综上，将风机置于振动测试试验台上进行振动测试，可以找出影响风机振动的主要因素，有针对性的改进后，可以有效减小风机振动，说明测试试验系统的设计是可行合理的,应用效果较好。

参考文献：

[1] 任金波,张翔.车用空调永磁直流无刷风机的降噪研究[J].机电技术,2011,34(2): 54-57. [2] 黄贤武,郑筱霞.传感器实际应用电路设计[M].电子科技大学出版社,1997. [3] 何正嘉,刘雄,屈梁生.信号平均处理原理和应用[J].信号处理,1986,2(4):236-243.