整體式空調器電機減振方案分析與驗證

仲明凱 張 磊 陳 晨

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

電機振動會增加螺釘松動、結構異響的風險，影響一個企業的產品質量和用戶體驗，因此越來越多的企業和學者關注電機振動問題，以期開發高質量產品。現某型窗機發現風機系統振動明顯，技術部門急需解決問題。主要振動現象為：整機運行時電機存在明顯軸向振動，電機有明顯重影，銘牌標識已無法清晰識別，振動情況如圖1。

圖1 振動情況

針對類似問題，一些學者進行了相關方案嘗試。孫義祥等人針對窗機外殼振動問題，模態仿真出其原因是電機支架與風扇旋轉頻率產生共振，通過在電機支架底座加螺釘、在風扇軸部設計凸臺減輕受力，明顯降低了振動[1]。安芝林等人針對空調內機電機激勵電機支架振動問題，改善電機橡膠墊實現降噪，進一步改善風葉軸系結構避開了共振區間[2]。胡清波等人針對空調電機支架與電機轉速共振問題提出支架的加強和加重結構及風葉減重方案，實現了振動現象的改善[3]。但上述研究與本文的電機振動問題存在起因上的區別，同時給出的減振方案也較為片面，相關問題缺乏明確的解決方法。本文首先針對振動現象分析起因，嘗試了各種減振方案并進行模態仿真和試驗驗證，給出了較為全面的改善方向及實際效果，為相關問題的改善提供了方向。

1 原因分析

1.1 電機振動轉速區間確定

異常樣機電機振動在中風檔最明顯，經過對3臺振動幅度不同的樣機調轉速，觀測振動情況，確定振動幅度最大轉速區間為（910～930）r/min，對于表現差的樣機，甚至轉速在（860～950）r/min內都振動明顯。區間擴展后電機振動情況減小，轉速過高和過低都無振動情況，異常樣機對比振動合格的樣機零部件無明顯差異。初步分析為風機系統零部件一致性波動引起，此類振動異常隱蔽性高，且起因復雜。

1.2 固頻分析

對異常樣機及支架、底盤、僅安裝電機支架的底盤進行固頻測試，布點及結果如表1。

表1 固頻測試布點及結果

整機固頻存在的15.5 Hz與風機旋轉基頻920 r/min/60=15.3 Hz接近，電機支架、底盤、安裝電機支架的底盤在無約束狀態下的固頻與旋轉基頻差距較大，初步分析風機系統共振是電機振動的原因之一。

固頻是系統自由振動時的固有頻率，用表示，與振動系統的質量m和剛度k有關。定義如式（1），其大小只和系統本身參數有關，與外界無關。從定義看，剛度應和系統質量成反比，而剛度增加一般伴隨著質量增加。一般來講，振動系統的剛度更多的受限于剛度最小的零部件，所以改變固有頻率應主要從系統最小剛度的零部件入手，同時，改變固頻外的另一個避免共振的方向就是采取相應的減振措施。

于是本文著重從更改風葉固頻、電機支架固頻、底盤強度加強等方向進行改善，研究有效的減振方法。

2 改善方案與驗證

進行原因分析后，本文針對問題制定了解決方案，結合模態仿真結果進行了實驗驗證。振動情況以振動幅度為標準，即振幅大、銘牌無法識別判定為振動明顯，有振動但銘牌字體可辨識為振動一般、有改善，輕微振動為振幅較小、有明顯改善，無振動為肉眼可見無振動情況。

2.1 風葉方向改善方案

風機系統的負載主要是風葉，其中軸流風葉由于葉片尺寸較大，是主要影響的部件。于是對風葉做了以下嘗試方案，如表2，結果表明：離心風葉影響不大；更改軸流風葉材料，電機振動無改善；對換表現好和表現差樣機的離心風葉和軸流風葉，即表現差的樣機裝上動平衡小的風葉，振動情況有改善，而表現好的樣機裝上動平衡大的風葉，仍不振動，這說明風葉對電機振動有影響，但不是主要影響；使用動平衡小于0.3 g的軸流風葉有改善，但生產難以控制，同時振動一致性有波動。

表2 風葉方向改善方案及效果

表3 電機方向改善方案及效果

2.2 電機方向改善方案

根據文獻[2]，導致電機軸向振動的原因除共振外還有轉子不平衡，即風葉動平衡和電機轉子不平衡，前面已驗證風葉動平衡具有改善作用，其他導致軸向振動的原因就是電機裝配或加工不良，電機軸承異常產生的機械振動[4]。電機中風檔設計轉速為（930±30）r/min，合格樣機（搭配廠家1電機）更換為廠家2電機后轉速由925 r/min變為949 r/min，電機振動幅度明顯增加。而搭配廠家1電機的整機一階固頻為15 Hz，其激振轉速為15*60=900 r/min，故廠家1電機實際轉速與激振轉速存在區別；更換廠家2電機后，固頻無明顯變化，實際轉速更遠離激振轉速，但振動加劇。在4臺樣機上驗證，廠家2電機裝機后的振動情況普遍比廠家1電機差，這說明廠家2電機單體振動較大，電機轉速與整機固頻共振已不是絕對原因，不同廠家電機的單體差異也會導致電機的振動加劇[5]。由于存在一臺搭配廠家1電機的樣機振動明顯，故受樣機單體差異影響，也存在樣機更換廠家1電機后無明顯改善的情況。

2.3 底盤方向改善方案

首先為確定底盤加強的部位，對底盤上振動可能較大的底盤底部連接電機支架周圍選點分別進行支撐，支撐點如圖2中點1～9，開機觀測電機振動情況，得到如下結論：對于異常樣機，支撐1、2、4、6、8五個點振動現象有明顯改善，對于合格樣機，支撐2、3、5、6、8、9六個點振動現象加劇，所以底盤相應位置的結構加強可能無明顯作用，為明確其影響，對底盤相應位置進行了加強和模態仿真，原結構及加強結構如圖3（a）、（b）、（c）、（d），方案（a）為原底盤，方案（b）為連接電機支架螺釘孔旁的加強筋加深，方案（c）為電機支架螺釘孔所在平面加強筋連通，并延伸至底面，同時螺釘孔旁加強筋加深，方案（d）為底盤料厚增加0.2 mm。模態仿真結果如圖4（a）、（b）、（c）、（d），其中方案（c）電機支架對應位置變形有所減小，方案（d）固頻偏離較大，擬制作樣件驗證。經實際測試，方案（c）對本機型無效果。方案（d）經實際驗證，整機固頻變化（0.5～2.5）Hz，電機振動現象有明顯改善，各方案效果如表4。

表4 底盤方向改善方案及效果

圖2 底盤支撐示意圖

圖4 底盤改善方案模態仿真結果

2.4 電機支架方向改善方案

首先為驗證電機支架連接底盤是否存在不穩定現象，導致電機支架產生振動，在電機支架與底盤連接的螺釘孔處分別加墊片、橡膠墊，驗證無效果。對電機支架振動方向手動支撐，連接支架與前隔板，即圖5框選位置，電機振動有改善，于是做了幾種支架加強的方案，如圖6，其中（a）～（c）為在支架的電機連接處與底盤連接處點焊加強筋，（d）為在手動支撐位置點焊一個L型海綿支架，在支架上方貼海綿，使電機支架與前隔板軟連接，以此實現減振，（e）為料厚增加0.55 mm（原料厚1.45 mm）的電機支架，分別在多臺樣機上裝機驗證，情況如表5，結果表明：電機支架加強筋對電機振動無明顯改善；加海綿方案具有減振效果；2.0 mm料厚搭配廠家1電機時振動有明顯改善，判定合格，搭配動平衡小于0.3 g的軸流風葉振動有明顯改善。分析原因為，電機的軸向振動應在軸向減振，而支架加強面與電機支架的連接電機面不共面，電機支架一圈的強度并未得到加強，但電機支架連接電機面空間有限，加強基本上只能更改三角筋和加料厚，從共振的角度分析，此處的加強對整機剛度和質量的影響不大，故整機固頻無明顯改變。

表5 電機支架方向改善方案及效果

圖5 手動支撐位置

圖6 電機支架改善方案

2.5 改善方案的固頻驗證

根據前文所做的改善方案，有些方案并無明顯改善效果，為明確方案的合理性，針對有效果的改善方案進行了固頻測試，如表6。

表6 各種改善組合的固頻數據

結果表明：電機支架加厚對單體固頻有明顯影響，但支架和電機裝配到機器上之后，對整機最低固頻影響不大，考慮原因為電機支架并不是整體剛度最低的零部件，裝配后各部件約束不同，影響了整體的固有頻率。換掉底盤后，存在的15 Hz均有明顯偏離，故可以判定15 Hz來源于整機約束下的底盤，與仿真結果一致。改善方案振動情況如表7。從各改善方案的振動現象來看，風葉一致性波動及電機個體差異也是導致電機振動的原因[6]。

表7 各改善方案振動現象對比

3 結論

依據各改善方案的實測固頻數據和效果，對某窗機電機振動問題給出以下結論[7,8]：

1）底盤在整機約束下存在15 Hz固頻以及電機單體差異是使電機產生軸向振動的主要原因，同時部分風葉裝機后動平衡不好導致振動加劇。

2）各種零件組合固頻仿真及試驗顯示，單換加厚支架、單換電機雖有改善但均存在不合格現象，組合更換振動均可接受；單換加厚底盤固頻有明顯變化且改善明顯，加海綿使固頻有變化且有改善，電機及風葉單體差異都會導致振動加劇。

3）避免共振固頻可從以下幾個方向進行：更換低動平衡軸流風葉、加厚底盤、在振動零件的振動方向上加軟海綿形成支撐提高剛度；減振可從以下幾個方向進行：在振動零件的振動方向上加軟海綿傳遞振動、更換電機、電機支架加厚；振動嚴重時采用多種改善方案組合一般會出現更明顯的效果。