張 軍,陸俊峰,袁 翔,丁鵬飛
(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232000)
電機(jī)是一個(gè)動(dòng)力元件,同時(shí)也是一個(gè)噪聲發(fā)生源。電機(jī)的振動(dòng)噪聲在一定程度上直接影響著它的優(yōu)劣程度和運(yùn)作的持久性,因此振動(dòng)和噪聲是決定電機(jī)能否充分發(fā)揮作用的一個(gè)重要因素。不僅僅是工作環(huán)境的要求,在日常生活中,安靜、舒適的環(huán)境對(duì)人的身心健康也極其重要。此外,為了提升本國(guó)電機(jī)行業(yè)在對(duì)外貿(mào)易上的對(duì)抗能力,急需增強(qiáng)對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲的分析以及控制技術(shù)的研究[1]。
本文針對(duì)某型高檔轎車(chē)在調(diào)節(jié)座椅時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻率在8 kHz左右的高音振動(dòng)噪聲這個(gè)實(shí)際問(wèn)題,先通過(guò)對(duì)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子進(jìn)行的聲壓實(shí)驗(yàn)和阻抗模態(tài)實(shí)驗(yàn),確定同頻共振是該振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因,在得到有效的峰值頻率后,劃出共振區(qū);通過(guò)有限元仿真對(duì)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得到有效峰值頻率的變化關(guān)系,確定了避免定子、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生同頻共振的優(yōu)化方案,最后結(jié)合壓電阻抗技術(shù)對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的定子進(jìn)行阻抗值測(cè)量[2],通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性,達(dá)到了消除電機(jī)共振噪聲的目的。
由壓電材料制成的PZT(壓電陶瓷片),當(dāng)受到外界載荷作用時(shí),引發(fā)的微小形變會(huì)引起材料的極化現(xiàn)象,符號(hào)相異的電荷聚集在PZT的表面,外力越大電荷的聚集程度也就越大,這種表現(xiàn)稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。反之,當(dāng)在PZT表面施加電壓,在電場(chǎng)的作用下,PZT內(nèi)部的正負(fù)電荷便向電荷中心產(chǎn)生相對(duì)位移,導(dǎo)致PZT的機(jī)械變形,稱(chēng)這種表現(xiàn)形式為逆壓電效應(yīng)[3-5]。其本質(zhì)是機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化。
正壓電效應(yīng)
標(biāo)識(shí)1、2、3分別對(duì)應(yīng)x、y、z坐標(biāo)軸方向。dikTk為電位移,為介電矩陣Ej為應(yīng)力T=0或?yàn)楣潭ㄖ禃r(shí)的電位移。
通過(guò)單自由度SMD系統(tǒng)模型,分析PZT與結(jié)構(gòu)耦合后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
機(jī)械阻抗Z、激振力F與位移x的關(guān)系即
實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)是穩(wěn)態(tài)諧波響應(yīng),即
將式(3)簡(jiǎn)化為
C為系統(tǒng)阻尼,m為系統(tǒng)質(zhì)量,ω為激振頻率,ωn為系統(tǒng)諧振頻率,j為虛數(shù)單位,KD為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)剛度。
實(shí)驗(yàn)所需的PZT與結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)電耦合的系統(tǒng)模型如圖1所示。
設(shè)所加交變電場(chǎng)為E3=Eˉ3ejωt,可得到PZT的機(jī)械阻抗
求解得到PZT的電位移
圖1 壓電陶瓷與結(jié)構(gòu)機(jī)電耦合模型
則電導(dǎo)納為
在多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中,tan(klPZT)∕klPZT≈ 1,根據(jù)Y=1∕Z,可化簡(jiǎn)得到電阻抗為
先前已通過(guò)測(cè)量明確電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲頻率在8 kHz左右,將進(jìn)行聲壓實(shí)驗(yàn)確定其產(chǎn)生的原因。
聲壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由被測(cè)電機(jī)、聲級(jí)計(jì)、高速采集卡以及上位機(jī)LABVIEW處理程序組成。分別對(duì)定子、轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過(guò)敲擊的方式進(jìn)行激振,使電機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)從而發(fā)出聲音,通過(guò)聲級(jí)計(jì)將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并由高速采集卡將聲級(jí)計(jì)的數(shù)據(jù)返回上位機(jī),經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)變?yōu)轭l域信號(hào),處理之后得到如圖2、圖3所示的定子與轉(zhuǎn)子聲壓頻域信號(hào)圖像。
圖2 定子的聲壓頻域信號(hào)圖像
觀察圖2、圖3可知,定子在頻率3487.5 Hz、4437.5 Hz、8312.5 Hz處有明顯的波峰;轉(zhuǎn)子在頻率3912.5 Hz、8187.5 Hz處有明顯波峰。其中,定子峰值頻率8312.4 Hz與轉(zhuǎn)子峰值頻率8187.5 Hz十分接近,可初步斷定這是定子轉(zhuǎn)子的同頻共振產(chǎn)生的噪聲,具體將通過(guò)下一節(jié)的共振區(qū)劃分來(lái)進(jìn)一步明確。
圖3 轉(zhuǎn)子的聲壓頻域信號(hào)圖像
從結(jié)果來(lái)看,聲壓實(shí)驗(yàn)具有以下特點(diǎn):
圖像中有較多雜亂的波形,對(duì)觀察和提取數(shù)據(jù)容易造成干擾;對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求高,不能有太大的聲音干擾;在激振過(guò)程中無(wú)法保證每一次的敲擊力度相同,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)造成影響。
為排除上述因素帶來(lái)的影響,將通過(guò)壓電阻抗(EMI)技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行阻抗模態(tài)實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步明確共振噪聲產(chǎn)生的原因。
阻抗模態(tài)實(shí)驗(yàn)中將對(duì)定子和轉(zhuǎn)子分別進(jìn)行阻抗模態(tài)頻率分析,如圖4所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由被測(cè)電機(jī)、壓電陶瓷片、WK6500B阻抗分析儀組成。
圖4 WK6500B阻抗分析儀以及小型直流電機(jī)
阻抗模態(tài)測(cè)試中將壓電陶瓷與電機(jī)進(jìn)行耦合,依靠阻抗分析儀對(duì)壓電陶瓷提供頻率持續(xù)改變的1 V正弦電壓,由于正壓電效應(yīng),壓電陶瓷會(huì)對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)施加持續(xù)的激振力,并通過(guò)阻抗分析儀接收返回信號(hào),得到阻抗圖像。
壓電陶瓷的具體型號(hào)可分為PZT-2、PZT-4、PZT-5A、PZT-5 H、PZT-8。其中PZT-4具有優(yōu)良的信號(hào)接收和發(fā)射能力[6],在本實(shí)驗(yàn)中,需要用壓電陶瓷片對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效激振,因此選擇具有優(yōu)秀介電和壓電性能的PZT-4作為該實(shí)驗(yàn)壓電材料。
對(duì)定子進(jìn)行獨(dú)立阻抗值測(cè)量,得到如圖5所示的圖像,過(guò)小的波峰不是產(chǎn)生同頻共振的原因,為無(wú)效峰值頻率,如表1所示為對(duì)應(yīng)掃頻產(chǎn)生的峰值頻率,依據(jù)產(chǎn)生的波峰大小將3694.18 Hz和8416.51 Hz定為有效峰值頻率,為方便起見(jiàn),下文分別稱(chēng)上述2個(gè)頻率為定子的第一有效峰值頻率和定子的第二有效峰值頻率。
圖5 定子阻抗結(jié)果
表1 定子固有頻率
圖6是對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行獨(dú)立的阻抗值測(cè)量得到的圖像,在3945.59 Hz和8200.75 Hz處出現(xiàn)了較為明顯的波峰為有效波峰,提取出轉(zhuǎn)子的前2階模態(tài),如表2所示。
圖6 轉(zhuǎn)子阻抗結(jié)果
表2 轉(zhuǎn)子固有頻率
為確定有效峰值頻率是否是產(chǎn)生共振的原因,在擁有轉(zhuǎn)子的2個(gè)有效峰值頻率3945.59 Hz、8200.75 Hz之后,根據(jù)共振范圍公式將共振區(qū)[7]劃分為[0.97f1,1.03f1] ,其中f1為有效峰值頻率,將2個(gè)頻率代入可計(jì)算得出2個(gè)共振區(qū)如表3所示。
表3 轉(zhuǎn)子共振區(qū)
上述結(jié)果表明定子的第一有效峰值頻率未落入轉(zhuǎn)子的共振區(qū)內(nèi),由于頻率值與第一共振區(qū)很接近,在接下來(lái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中不排除會(huì)進(jìn)入共振區(qū),因此也將對(duì)此重點(diǎn)分析;定子的第二有效峰值頻率落入轉(zhuǎn)子的第二共振區(qū),這時(shí)定子和轉(zhuǎn)子會(huì)擁有相似的振型,從而產(chǎn)生較大的共振噪聲,因此可明確這是產(chǎn)生電機(jī)同頻共振的原因。
通過(guò)比較可發(fā)現(xiàn)阻抗模態(tài)實(shí)驗(yàn)與聲壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相同。同時(shí),基于壓電阻抗技術(shù)的阻抗模態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的圖像目標(biāo)明顯,曲線平整,無(wú)較多雜亂波形;實(shí)驗(yàn)受外界因素影響小,在有較大雜音的環(huán)境中,實(shí)驗(yàn)也能順利地進(jìn)行。由此可以看出壓電阻抗技術(shù)在電機(jī)振動(dòng)噪聲研究方面的優(yōu)越性。
為了使第二有效峰值頻率脫離共振區(qū),同時(shí)避免第一有效峰值頻率進(jìn)入共振區(qū),從而導(dǎo)致新的共振,將通過(guò)有限元仿真對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,以解決共振噪聲的問(wèn)題。
有限元法的基本理念是對(duì)一個(gè)不中斷結(jié)構(gòu)體進(jìn)行劃分,得到有限個(gè)離散的單元,這些單元按照一定形式聯(lián)結(jié)以模擬被分析對(duì)象,每個(gè)單元均有特定的節(jié)點(diǎn)組合方式,在此基礎(chǔ)上,就可以對(duì)其中的單元和材料參數(shù)進(jìn)行定義,對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施加約束函數(shù)、載荷函數(shù)等操作,再通過(guò)求解器求解獲取目標(biāo)量,從而將一個(gè)不中斷區(qū)域中不限制自由度的問(wèn)題變?yōu)殡x散區(qū)域中可限制自由度的問(wèn)題,以解決純理論研究難以攻克的問(wèn)題。有限元法可求解比較復(fù)雜結(jié)構(gòu),對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)計(jì)算精度較高[8-10]。
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)明確了振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因,接下來(lái)通過(guò)有限元仿真對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化仿真,根據(jù)仿真結(jié)果中峰值頻率偏移的情況,明確可行的優(yōu)化方案。
在優(yōu)化對(duì)象的選擇方面,對(duì)定子機(jī)殼的改動(dòng)比對(duì)轉(zhuǎn)子構(gòu)造的改動(dòng)更為簡(jiǎn)易、方便。選取改變電機(jī)定子外殼厚度、在定子機(jī)殼上增添輻條2種優(yōu)化方式對(duì)定子機(jī)殼進(jìn)行改動(dòng)。
對(duì)定子進(jìn)行模態(tài)仿真分析,將定子劃分為外殼、鐵芯、輻條3個(gè)部分,都賦予Solid45單元,各部分之間采用體粘貼(VGLUE)[11-12],材料參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表4。
(1)以外殼厚度為變量
對(duì)定子網(wǎng)格的劃分如圖5所示。在厚度為影響的模型建立中,忽略了定位臺(tái)階及螺孔,對(duì)整體模態(tài)影響不大,這樣不僅可以減少計(jì)算量,還能提高精確度[13]仿真結(jié)果如表5所示:
表4 材料參數(shù)
表5 模態(tài)頻率
觀察表5可以發(fā)現(xiàn),隨著機(jī)殼厚度的增加各階模態(tài)頻率都有增大的趨勢(shì),且頻率每次升高的變化量也越來(lái)越大,可見(jiàn)機(jī)殼厚度的增加可升高定子模態(tài)頻率。
表6所示為不同機(jī)殼厚度工況下模態(tài)頻率落入轉(zhuǎn)子共振區(qū)的情況。
表6 模態(tài)頻率落入轉(zhuǎn)子共振區(qū)的情況
從機(jī)殼厚度與模態(tài)頻率變化關(guān)系中可以看出,當(dāng)機(jī)殼厚度為7.5 mm時(shí),避開(kāi)了轉(zhuǎn)子的各個(gè)共振區(qū),因此在改變?cè)撔⌒椭绷麟姍C(jī)機(jī)殼厚度避免產(chǎn)生共振噪聲時(shí),7.5 mm可作為參考優(yōu)化的厚度。對(duì)于其他規(guī)格的電機(jī),在優(yōu)化機(jī)殼厚度的過(guò)程中,應(yīng)在方案可行的基礎(chǔ)上選取合適的厚度,以避免使電機(jī)過(guò)于笨重、成本過(guò)高。
(2)以輻條數(shù)目為變量
圖7所示為定子機(jī)殼的網(wǎng)格劃分以及添加輻條后的定子三維模型,將依次對(duì)輻條數(shù)目從0至8的工況進(jìn)行模態(tài)分析,輻條寬度為10 mm,長(zhǎng)度為45 mm,厚度為1 mm,輻條的分布方式均采用均勻分布,表7為模態(tài)頻率結(jié)果。
圖7 網(wǎng)格劃分和添加輻條后的定子模型
表7 模態(tài)頻率
根據(jù)表7可知,隨著輻條數(shù)增加,第一有效峰值頻率呈現(xiàn)下降趨勢(shì);第二有效峰值頻率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)輻條數(shù)為8個(gè)的時(shí)候,第一和第二有效峰值頻率均沒(méi)有出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子共振區(qū),因此當(dāng)添加8個(gè)均勻分布的輻條時(shí),能避免產(chǎn)生共振噪聲,為該方案的最優(yōu)選擇。
實(shí)際實(shí)驗(yàn)中粘連輻條時(shí)的第一有效峰值頻率并未落入轉(zhuǎn)子共振區(qū),且根據(jù)仿真結(jié)果確定的變化關(guān)系來(lái)看,隨著輻條數(shù)目的增加,第一有效峰值頻率呈下降趨勢(shì),對(duì)實(shí)際結(jié)果不造成影響。
實(shí)驗(yàn)中通過(guò)添加輻條的方式對(duì)上述仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,選取2種不同規(guī)格的輻條進(jìn)行實(shí)驗(yàn),輻條材料均選為矽鋼片,采用錫條焊接的方式將矽鋼片焊于定子機(jī)殼處。
2種實(shí)驗(yàn)矽鋼片的規(guī)格如下:
規(guī)格一:寬度為10 mm,長(zhǎng)度為50 mm,厚度為1 mm;
規(guī)格二:寬度為10 mm,長(zhǎng)度為50 mm,厚度為0.2 mm。
(1)實(shí)驗(yàn)一
采用規(guī)格一的輻條依次與機(jī)殼黏連,分別獲取的阻抗圖像。圖8所示是定子機(jī)殼黏連輻條數(shù)依次為0、3、4、7個(gè)時(shí)的阻抗值,掃頻在3500 Hz~3900Hz和8300 Hz~8650 Hz 2個(gè)范圍進(jìn)行,可以看出隨輻條數(shù)的增加第一有效峰值頻率和第二有效峰值頻率均發(fā)生較為明顯的偏移。
隨著輻條數(shù)的增加,定子的第一有效峰值頻率逐個(gè)減小,向左偏移;定子的第二有效峰值頻率逐個(gè)增加,向右偏移。依次添加0~8個(gè)輻條時(shí)的峰值頻率數(shù)據(jù)以及落入轉(zhuǎn)子共振區(qū)的情況如表8所示。
隨著輻條數(shù)的增加,第一有效峰值頻率總體呈下降趨勢(shì),第二有效峰值頻率總體呈上升趨勢(shì),總體變化關(guān)系與有限元仿真得到的結(jié)果一致。當(dāng)輻條數(shù)為0至8個(gè)時(shí),第一有效頻率皆未落在轉(zhuǎn)子的共振區(qū)內(nèi),而第二有效峰值頻率僅當(dāng)輻條數(shù)為3個(gè)及3個(gè)以上時(shí)才落在轉(zhuǎn)子共振區(qū)。因此,選擇規(guī)格一的矽鋼片作為輻條的情況下,輻條數(shù)目添加到3個(gè)及3個(gè)以上時(shí),第一有效峰值頻率和第二有效峰值頻率都脫離了轉(zhuǎn)子共振區(qū),避免了共振噪聲的產(chǎn)生。
圖8 阻抗值對(duì)比
表8 兩部分頻率值數(shù)據(jù)(用規(guī)格一的輻條)
(2)實(shí)驗(yàn)二
用規(guī)格二的輻條進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲取阻抗圖像。
圖9所示是定子機(jī)殼黏連輻條數(shù)依次為0、4、6、8個(gè)時(shí)的阻抗值,掃頻在3300 Hz~4100 Hz和8350 Hz~8550 Hz兩個(gè)范圍進(jìn)行。
與實(shí)驗(yàn)一有相同偏移趨勢(shì),定子的第一有效峰值頻率隨輻條數(shù)的增加而減??;第二有效峰值頻率隨輻條數(shù)增加而增大。依次添加0~8個(gè)規(guī)格二的輻條所得的具體數(shù)據(jù)以及與落入轉(zhuǎn)子共振區(qū)的情況如表9所示。
隨著輻條數(shù)的增加,第一有效峰值頻率總體呈下降趨勢(shì),第二有效峰值頻率總體呈上升趨勢(shì),與有限元仿真結(jié)果一致。當(dāng)輻條數(shù)為0~8個(gè)時(shí)的第一有效頻率皆未落在轉(zhuǎn)子的共振區(qū)內(nèi),而第二有效峰值頻率僅當(dāng)輻條數(shù)為7個(gè)及7個(gè)以上時(shí)才落在轉(zhuǎn)子共振區(qū)。因此對(duì)于規(guī)格二的矽鋼片作為輻條的情況,添加的輻條數(shù)目為7個(gè)及7個(gè)以上時(shí),第一有效峰值頻率和第二有效峰值頻率皆脫離了轉(zhuǎn)子共振區(qū),避免了共振噪聲的產(chǎn)生。
對(duì)比兩組厚度不同輻條的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可知當(dāng)輻條其他屬性不變時(shí),厚度越大,對(duì)有效峰值頻率的影響越大,其偏移的程度也就越大,在具體添加輻條的時(shí)候可以通過(guò)增加輻條的厚度來(lái)減少所用的輻條數(shù)量,以達(dá)到相同的目的。
表9 兩部分頻率值數(shù)據(jù)(用規(guī)格二的輻條)
(1)通過(guò)對(duì)問(wèn)題電機(jī)進(jìn)行聲壓實(shí)驗(yàn)和壓電阻抗模態(tài)實(shí)驗(yàn),確定了8 kHz處的同頻共振是噪聲產(chǎn)生的原因。壓電阻抗技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)聲學(xué)采集方法,具有成像清晰、平整、激振穩(wěn)定、對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的安靜程度要求不高等優(yōu)點(diǎn)。
(2)阻抗頻率的變化反映的是機(jī)械構(gòu)造上的變化,通過(guò)測(cè)得的有效峰值頻率劃分了共振區(qū),確定了改變機(jī)殼厚度和增添輻條的2種優(yōu)化方案。
(3)通過(guò)理論、仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,依照出現(xiàn)問(wèn)題、找出原因、確定方案、付諸實(shí)踐的研究路線,制定增添輻條方案并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果可知:通過(guò)增加輻條數(shù)能夠使有效峰值頻率脫離共振區(qū)以達(dá)到避免產(chǎn)生共振噪聲的目的。實(shí)驗(yàn)與仿真所表現(xiàn)出的頻率變化關(guān)系基本一致,驗(yàn)證了有限元仿真的準(zhǔn)確性,并說(shuō)明壓電阻抗技術(shù)對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲的研究具有一定的實(shí)際意義。
圖9 阻抗值對(duì)比