風冷冰箱風扇電機噪音故障分析及可靠性設計的研究及應用

蔣勇剛 江 賓 熊克勇 邢 龍

（合肥晶弘電器有限公司 合肥 230001）

引言

冰箱作為現代家庭必備的家用電器，其噪聲水平越來越受到廣大消費者尤其是追求高生活質量人群的關注。風冷冰箱在日常使用中經常會出現異常噪聲問題。為進一步提高消費者的使用體驗，現對風冷冰箱體感噪聲進行研究，滿足用戶對靜音冰箱的需求[1]。根據售后維修實踐，風冷冰箱使用的風扇電機噪音是整機冰箱噪音的主要原因之一。

近幾年，隨著國際經濟形勢的變化，中國國內家電企業使用的進口電器件的價格及采購周期收到嚴重的影響，大多數進口件已經逐步開始國產化替代。電冰箱行業使用的低溫風扇電機也在逐步的進行國產化替代。但是，中國國內生產低溫風扇電機的企業極少，多數為常溫環境下使用的風扇電機。常溫下使用的風扇電機與低溫下風扇電機有著重大的區別。目前風扇電機行業內的技術專家普遍缺乏低溫風扇電機的設計及應用經驗，低溫的環境對風扇電機產生的影響機理及影響程度不清晰，設計生產的低溫風扇電機在噪音及可靠性方面存在問題[2]，需要進一步的深入研究。

現通過國內外行業標桿對比及可靠性分析試驗技術的應用，確定含有軸承風扇電機的含油量設計、運轉間隙設計、風路循環系統設計及油路循環系統設計為關鍵可靠性設計因素，提出了低噪音風扇電機的可靠性設計原則。為風扇電機設計人員提供參考。

1 風扇電機噪音維修分析實踐情況

維修實踐中經常遇到整機噪音測試噪音值低于噪音標準（一般標準為≤39 dB），但體感噪音不合格情況，表現為低頻音帶來的不悅音質感受，且噪音間歇性出現，一般維修措施難以解決，問題存在復雜性[3]。對國產化風扇電機與進口風扇電機維修實踐數據進行分析，發現噪音故障率存在明顯差異。國產化風扇電機比進口風扇電機噪音故障率高出5倍左右。

2 風冷冰箱風扇電機體感噪音異常的原因分析

通過將國產化風扇電機與進口風扇電機進行結構差異化對比，同時通過風扇電機技術專家的頭腦風暴以及查詢相關資料[4]。風扇電機噪音不穩定的潛在異常原因推測為：①風扇轉子軸與軸承間隙過大；②低溫下風扇軸與軸承的尺寸變化產生間隙超差；③風輪與底托間隙間有小冰珠產生摩擦；④底托變形影響電機運行的動平衡；⑤軸承含油量少，潤滑效果差；⑥潤滑油的油路設計不合理；⑦潤滑油低溫凝結。⑧風路循環不暢。根據識別到的推測，使用FTA對推測進行邏輯整理，確定關鍵底事件推測。如圖1所示。

圖1 風扇電機噪音系統圖

圖1中顯示有8個底事件，對分析確定的底事件（推測）進行逐項確認、改進，以提升風扇電機的可靠性。

2.1 采用假設檢驗證明有無循環油路對軸承含油量存在顯著影響

制作有油槽與無油槽軸承樣品各8個。通過火燒法測定軸承的含油量，然后使用假設檢證明有無循環油路對軸承含油量產生明顯的影響。如表1、圖2所示。

圖2 方差數據計算圖

表1 軸承樣品含油量測量數據

使用雙樣本F檢驗，設：H0為方差相等；H1為方差不相等。在顯著水平α=0.05水平上，p值為0.889，P＞0.05，所以，接受原假設H0，證明兩個樣品方差相等。然后檢驗均值是否相等。使用t檢驗，設：H0為均值相等；H1為均值不相等。根據MINITAB運算的結果，在顯著水平α=0.05水平上，P=0.014＜0.05，拒絕原假設，即認為均值是提高的，因此確定增加油槽對含油軸承的含油量有顯著提升。A，B箱線圖和單值圖如圖3所示。

圖3 A,B箱線圖和單值圖

另外，通過國產軸承與進口件的設計對比，軸承的油槽是進口件普遍采用的一種油路循環設計方案???。

同時，對故障風扇電機進行解剖，發現軸承內孔底面有潤滑油，頂部極少見潤滑油，證明國產風扇電機潤滑油沒有形成有效的循環，潤滑油產生了堆積現象。因此確定，有無油槽設計是主要影響原因之一。

2.2 通過試驗驗證法確定飛輪與底托設計間隙是主要影響原因之一

對國產風扇電機飛輪與底托之間噴水霧，模擬冰箱化霜環境，然后放入到冷凍室中進行冷凍，發現間隙之間的水珠在冷凍過程中立即結冰冰珠，并且不斷增加。冰珠直徑從0.2～0.6 mm增加到0.8～1.2 mm。幾款國產風扇電機飛輪與底托設計間隙一般在0.7～1.0 mm。隨著冰珠的增大，對風扇電機進行通電測試，發現飛輪與冰珠干涉產生低頻的摩擦音，設計間隙尺寸小于形成冰珠的直徑。同時，對噪音故障的風扇電機進行拆解發現間隙處存在摩擦的痕跡。因此，設計間隙小是主要的影響原因之一。

2.3 通過查詢設計標準與實際測量，證明軸與軸承設計間隙不是影響因素

行業內低速風扇電機的軸與軸承的設計間隙為0.004～0.015 mm，即4～15 μm。對三個品牌的國產電機此間隙測量，結果基本符合此機械設計標準.因此，確定此設計間隙不是影響因素。

2.4 通過試驗驗證確定軸與軸承的低溫下尺寸變化不是影響因素

軸與軸承都是粉末冶金制造，一般情況下溫度變化率極小。軸和軸承分別在低溫-30 ℃冷凍24 h，然后測量冷凍前及冷凍后的軸的外徑及軸承內徑尺寸變化量。三個品牌的國產風扇電機冷凍前后未見明顯尺寸變化。

2.4.1 軸的外徑尺寸如圖4所示。

圖4 某品牌風扇電機冷凍前后軸外徑的尺寸變化量（mm）

根據試驗數據，冷凍后軸外徑仍然滿足設計間隙的要求。

2.4.2 軸承內徑尺寸如圖5所示。

圖5 某品牌風扇電機冷凍前后軸承內徑的尺寸變化量

根據試驗數據，冷凍后軸承內徑仍然滿足設計間隙的要求。

因此，國產風扇電機軸與軸承的低溫下的尺寸變化量不是噪音問題的影響因素。

2.5 通過實驗驗證證明底座形變量不是影響因素

底托一般采用PBT工程樹脂材質制造，此工程材料強度極高。將噪音故障風扇電機在常溫下測試底托變形量，然后在低溫下冷凍24 h，測試底托變形量。發現三個品牌的故障風扇電機的底座低溫下變形量比常溫下增加0.003～0.005 mm。此變形量未造成風扇電機產生干涉及共振。

2.6 通過試驗驗證潤滑油的低溫凝結不是影響因素

將風扇電機在-40 ℃環溫下冷凍。觀察潤滑油并未出現凝結現象，旋轉飛輪，運行順暢，未出現干涉及摩擦現象。三個品牌的國產風扇電機潤滑油在冰箱的最低溫度冷凍環境下均未發生潤滑性能下降。

2.7 軸承的含油量少是影響因素

采取燒結去油法，將三個品牌的國產的含油軸承與進口含油軸承的含油量進行對比。發現國產軸承的含油量比進口件普遍低21.6～32.7 %。

潤滑油少對噪音產生明顯的影響。

2.8 飛輪風路共振是影響因素

飛輪高速轉動時，從底托處吸入空氣，但是底托為實心平面結構，無法形成順暢的風路，觀察噪音故障的風扇電機，飛輪高速運轉時產生了抖動現象，抖動幅度為0.6～0.8 mm，發出噪音。試驗將底托制作成鏤空結構，形成循環的風路系統。觀察飛輪在高速轉動的過程中抖動幅度降低至0.1～0.2 mm，未體感到明顯的噪音。因此，判斷沒有風路循環系統是主要影響因素之一。

根據試驗驗證確定國產風扇電機產生噪音問題的根本原因為：①軸承回油系統設計異常；②底托風路設計異常；③底托與風輪間隙設計異常；④含油軸承含油量異常；

使用DOE方法確定改進方案。DOE中設定軸承回油槽截面積、底托通風量、底托與風輪間隙、含油軸承含油量四個因子，進行4因子2水平的試驗設計，響應設置為風扇電機動平衡，要求動平衡。試驗設計（DOE）結果顯示，響應曲面全部為彎曲，根據響應曲面確定改進設計方案。

3 消除體感噪音故障的可靠性設計方法

3.1 軸承的儲油量增加設計

根據前面對比試驗的結果，需要增加軸承儲油量。按照含油軸承含油量的設計原理[5]，增加體積可以增加儲油量。因此，根據國產軸承的結構，可以考慮增加粗頭長度及細頭壁厚，實現體積增加。如圖6所示。

圖6 軸承優化示意圖

某一品牌國產風扇電機更改軸承形狀，原含油軸承：油孔內油量為；新含油軸承：油孔內的油量相對增加至，油量增加了。增加軸承體積提高儲油量的效果比較明顯。

3.2 含油軸承油槽設計

為實現軸承上下端形成油路循環系統，故采取在軸承的端面及外側“開槽”方案，使潤滑油隨著氣壓及油壓達到軸承底部后，沿油槽上行再次進入軸承上部，形成循環系統，可以實現油路的反復循環。如圖7所示。

圖7 軸承油槽示意圖

某款國產風電機軸承油槽截面積設計為。當軸與含油軸承間隙的油量特別大時，隨著軸的運轉溢出到軸承端面時，會延著油槽流下，從外表面進入含油軸承內部，從而形成一個潤滑油回路。

同時，經過SEM掃描電鏡觀察，開槽后，由于軸承擠壓力變小，粉末冶金的晶粒之間的空隙變大，含油量得到提升。如圖8所示。

圖8 含油軸承開槽前、后晶粒圖（灰色部分）

軸承增加油槽后，制作風扇電機樣件10件，運行24 h后，解剖發現軸承內表面、軸承外側面及槽孔內充滿潤滑油，沒有潤滑油堆積現象。說明已經形成了油路的循環系統。

3.3 風路循環系統結構設計

底托支架為鏤空中空結構，如圖9所示。飛輪高速轉動時，從底托處吸入空氣，但是底托為實心平面結構，無法形成順暢的風路。將底托制作成鏤空結構，形成循環的風路系統，風路不再受阻。運行時飛輪的抖動會明顯降低。

圖9 低應力鏤空結構支架示意圖

同時，此底托支架在低溫下變形小，所受應力較分散，更穩定，可減緩共振。該支架常溫下平面度，低溫冷凍后，與常溫對比變化量以下，平均變化量.新結構鏤空支架在常溫下平面度變化更小、更穩定，在低溫情況下的變形量更小。

3.4 支架與飛輪間隙設計

根據低溫冰晶的尺寸，確定支架與飛輪間隙應大于1.5 mm，故采用1.7 mm，使其與含油軸承支撐平面齊平，增大飛輪與底托之間的間距防止間隙間的冰晶與飛輪接觸產生噪音。

對國產風扇電機噪音確定的四個主要原因全部進行了設計改進，改進措施全部采取后制作了改進型風扇電機進行測試單體動平衡及體感噪音。改進后，體感無低頻的共振聲音，風扇的單體動平衡測試全部＜15 mg。整機噪音全部滿足小于39 dB的要求。同時對改進型風扇電機進行可靠性測試，在-40 ℃環溫下測試，仍未出現低頻噪音現象。市場質量表現較好，完全達到進口風扇電機的質量水平。

低溫風扇電機可靠性設計原則：應考慮潤滑油的循環系統，確保潤滑油長期反復起作用；考慮整機的風路循環系統，確保風路順暢不受阻；考慮動靜部件之間的安全設計間隙，確保不干涉冰珠；考慮含油軸承的含油量，確保潤滑油量的充足。

4 總結

使用國產化風扇電機的風冷冰箱運行時，出現噪音低于標準值但體感噪音不合格的現象，整機聲音表現為低頻音，帶來不悅的音質感受，產生投訴維修。風冷冰箱在日常使用中出現的異常噪聲問題，對產品形象、客戶使用體驗產生不良影響。通過行業標桿對比法、可靠性試驗法確定了風扇電機的噪音的根本設計原因。對風扇電機的油路循環系統、風路循環系統、結構間隙、含油軸承的含油量等進行重新構造設計，成功的消除了風扇電機的體感低頻噪音問題。此研究及應用對制冷行業的進口風扇電機國產化起到關鍵的促進作用，為國產化風扇電機正常可靠使用保駕護航。同時，也說明了我國基礎工業產品起步較晚，技術薄弱。基礎工業產品的設計開發應借鑒國際成熟產品的成功經驗，將會減少大量的試錯成本。