電動汽車電池散熱風扇徑向振動測試與減振方法

任金波，張 翔，胡冰樂，施火結

（1.福建農林大學 機電工程學院，福州 350002；2.重慶大學 機械工程學院，重慶 400044）

0 引言

蓄電池是電動汽車的核心部件，直接影響著汽車的使用性能和續駛行程等，是純電動汽車產業化的關鍵因素。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，因蓄電池內阻而產生大量熱能，從而引起蓄電池溫度快速升高和電解液汽化，如不對其進行強制散熱，溫度過高后可能導致蓄電池爆炸而產生危險[1]。因此，要保證電動汽車可靠安全行駛，需采用風扇進行強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[1]已對新能源汽車中電池散熱風扇的軸向振動進行了分析，并研究了改進方法，減少了軸向方向上的振動能量，為了更加提高現有電池散熱風扇產品的安全可靠性，需對其徑向振動進行減振研究，以期達到產品振動要求的水平。

1 風扇結構

1.1 機械結構

圖1為福州某電氣有限公司提供的電動汽車電池散熱風扇實物圖。機械部分主要由葉輪、驅動電機、回轉體系統、電機支撐、減振結構和風扇底座等構成。

1.1.1 葉輪結構

葉輪是散熱氣流產生的部件，散熱風扇采用離心結構，通過風扇葉輪旋轉時產生的離心力使空氣獲得動能，改變風扇轉速和葉片的安裝角可改變風扇的額定風量，設計時，風葉的安裝角小于90°，即前向葉形，利于在保證風量≥180m3/h的前提下縮減風輪的軸向和徑向尺寸，方便在車上的布置。

圖1 電池散熱風扇

1.1.2 回轉體系統

電池散熱風扇回轉體系統和車用空調直流無刷風機的轉子結構一致，風輪與轉子不是獨立的兩個零件，而是將電機外轉子的磁軛簡化為一個簡單的套筒，然后以緊配合的方式壓入風輪，共同形成整體式的回轉體系統[2]（專利號：200620009974.7）。

1.1.3 電機支撐結構

驅動電機采用無刷電機，支撐采用整體式滾動軸承支撐結構，如圖2所示，軸承座與風扇底座制成一體，其前后兩端設有用于固定兩滾動軸承的同軸臺階孔，電機軸和滾動軸承內圈相配合。整體式軸承座替代了傳統的獨立分離軸承座，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，可提高風扇的裝配精度。

1.1.4 減振結構

減振結構的設計直接關系到風扇的振動與噪聲水平，電池散熱風扇采用兩級減振結構，第一級減振結構設置在風扇電機定子與法蘭盤底座間的裝配位置上。第二級減振結構設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緊的方式實現，結構和工藝簡單。

圖2 整體式軸承支撐結構

1.2 電機驅動控制

電機控制電路由電源穩壓模塊、電源電壓檢測調理模塊、電機相電流檢測調理模塊、控制接口模塊、過流保護模塊、過熱保護模塊、單片機系統和由MOS管構成的H橋驅動逆變模塊組成。通過單片機對母線電壓、電機相電流、母線工作電流、接口信號和溫度信號的實時檢測，實現各種保護功能，從而實現風扇高效、安全可靠工作。

2 徑向振動測試

2.1 測試儀器

試驗時，采用壓電式加速度傳感器采集電池散熱風扇的振動信號，并將采集的信號進行放大濾波處理后，在分析軟件中進行數據分析。試驗采用的儀器如表1所示。

2.2 測試位置

風扇回轉體工作時高速旋轉，無法安裝傳感器，但運動過程中回轉體系統的振動會傳遞到底座法蘭盤上，試驗時，將在法蘭盤上安裝傳感器對風扇進行徑向振動測試，如圖3所示。

圖3 測點位置

2.3 測試實驗

將風扇置于振動試驗臺上，將其工作轉速從1200r?min-1每隔100r?min-1調節到3000r?min-1，每增加100r?min-1，當風扇運行穩定時，用測試儀器對所測得的振動信號進行采樣和處理，得到風扇在1200～3000r?min-1工作時的功率譜數據。因數據較多，圖4所示為風扇在1500r?min-1和2400r?min-1轉速穩定運行測試得到的徑向功率譜圖。

2.4 振動原因分析

從圖4中的頻譜圖分析中看出：當風扇以1500r?min-1的速度穩定運行時，徑向方向上振動的能量在25Hz的頻率分量處存在較大的幅值；當風扇以2400r?min-1的速度穩定運行時，徑向方向上振動的能量在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倍頻分量上對風扇的振動也有一定影響，但振動幅值較小。振動能量在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扇振動的最大因素。

影響風扇徑向振動的因素主要有回轉體加工不均勻或因風壓導致零件變形而造成風扇轉子質量不平衡、磁瓦加工和裝配不均勻、旋轉軸磨損而造成質量偏心、軸承磨損造成軸承滾動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、直流無刷風扇裝配后定轉子間隙不均勻產生的單邊磁拉力、減振結構設計不合理、電機的換相脈動、齒槽脈動、電磁脈動等。對上述各因素進行頻率分析，結合1倍頻分量處頻率為影響風扇振動的最大因素，認為回轉體系統質量不平衡是影響風扇徑向振動的最主要原因。其他4倍頻、12倍頻分量處的頻率小振動主要是由磁瓦裝配不均勻和電機的轉矩脈動引起的，在徑向振動中不予考慮。

表1 測試儀器

圖4 徑向功率譜

3 減振方法

抑制風扇振動的方法主要有[3,4]：在振源與受迫振動體之間增加減振或隔振裝置；消除、減弱和抵消振源的振動來減少振動的傳遞；改進減振結構型式和材料。

3.1 風扇回轉體系統動平衡

解決回轉體系統質量不平衡的問題主要是對其回轉部分（即轉子）進行高精度動靜平衡[5,6]。采用自主研發的動平衡實驗裝置對風扇回轉體系統現場進行高精度動平衡，如圖5所示。動平衡后，葉輪兩個葉片上共加了0.6g的動平衡夾。

圖5 風扇回轉體系統動平衡

動平衡后，將風扇置于搭接的測試試驗平臺，從轉速1200r?min-1開始測試風扇穩定運行時的振動，每隔100r?min-1測試一次，直至風扇最高轉速3000r?min-1，測試完成后，得到動平衡前后風扇回轉體在整個轉速范圍內的1倍頻功率譜圖曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，動平衡后風扇在徑向上的振動能量有所降低，高轉速時，振動的功率譜最高降幅達71.4%。但風扇在高轉速時殘余不平衡量引起的振動仍對風扇有較大影響。

圖6 動平衡前后徑向功率譜

3.2 改進減振結構與材料

3.2.1 改進減振結構

風扇電機定子與法蘭盤底座的連接處設計有梅花形減振結構，以減緩風扇工作時產生的振動向底座傳遞，減振墊片結構如圖7所示，將現有風扇的梅花形減振墊改為圖8所示三種不同的結構型式。

圖7 改進前減振結構

圖8 改進后的減振結構

將風扇置于測試試驗臺，分別測試三種不同減振結構的減振效果，從轉速1200r?min-1開始測試風扇穩定運行時的振動，每隔100r?min-1測試一次，直至風扇最高轉速3000r?min-1，測試完成后，得到三種不同減振結構的風扇在整個轉速范圍內的1倍頻功率譜圖曲線，如圖9所示。從圖9中可以看出，改進后第2種減振結構效果較好，風扇的徑向振動能量在整個工作范圍內都有較大改善，且振動的變化較為平穩。

圖9 改進結構前后徑向功率譜

3.2.2 改進減振結構的材料

減振材料對風扇的減振性能影響較大，將改進后減振結構2的材料由石墨尼龍改為熱塑性硫化膠（TPV），邵氏硬度A45。改進后，再次進行振動測試，得到改進前后1倍頻功率譜圖曲線，如圖10所示。從圖10中可以看出，改進減振材料后，風扇在在低速范圍運轉時振動平穩，高速運轉時振動能量有進一步降低。

綜合考慮改進減振結構和材料后，風扇穩定運行時在最高點處的功率譜密度由485.17mv2/Hz下降至100.01mv2/Hz，徑向振動的能量降幅達79.4%。

圖10 改進材料前后徑向功率譜

表明在風扇在整個轉速范圍內運轉時的徑向振動能量已得到有效控制，極大降低了振動水平。

4 結論

通過對電動汽車電池散熱風扇進行徑向振動測試，得到了影響風扇徑向振動最大的因素為回轉體系統質量不平衡；對風扇回轉體進行動平衡，可使高轉速狀態下徑向振動的能量下降71.4%；改進減振結構和材料可使其振動變化較為平緩，在最高點處徑向振動能量下降79.4%，從而極大的降低了風扇徑向方向上的振動水平。

[1]任金波,張翔,施火結.新能源汽車電池散熱風扇軸向振動分析與改進[J].河南科技大學學報:自然科學版,2017,38(4):25-29.

[2]張翔,胡冰樂,張祖峰.車用空調無刷風機整體式外轉子風輪:中國,2006200099747[P],2007-09-12.

[3]馬帥旗.機載電子設備減振設計[J].噪聲與振動控制,2014,34(2):185-187.

[4]劉曉明.某水下航行器電機支架減振結構研究[D].昆明:昆明理工大學,2013.

[5]李鑌樺,譚青,蔡小華,任志湘.安裝偏心距對球式自動平衡裝置減振的影響[J].噪聲與振動控制,2014,34(1):82-87.

[6]劉文倩,譚青,謝燕琴,聶衛東.自動平衡裝置減振效益分析[J].噪聲與振動控制,2010,30(4):153-157.