新能源电动压缩机NVH和壳体结构的相关性
国际汽车空调联盟
2020-07-28 10:04
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摘要:本文重点讨论的是新能源汽车空调系统的核心部件——电动涡旋压缩机的NVH性能与壳体结构的相关性,探讨始何优化壳体结构改善压缩机的NVH性能。

前言

随着国家对新能源汽车的重视,新能源汽车在国内得到了长足的发展。同时与其相关的零部件也得到了良好的发展。但是随着竞争的加剧和国家对新能源车的要求提高,新能源汽车的零部件也需要跟上发展的步伐。本文讨论的电动涡旋压缩机是新能源车中舒适性要求的最核心功能件。而舒适性要求中最难解决和最直接的感受就是NVH。这也是长期困扰业界的难点之一。

1 电动涡旋压缩机主要结构及NVH的影响因素 

电动涡旋压缩机NVH的影响因素极多,常见的有涡旋结构问题,整机配重问题,制造精度问题,电机设计问题,驱动器的问题,压缩机壳体设计问题等。而压缩机的壳体设计问题业界普遍关心较少。这主要是因为国内壳体的设计多数参考国外的一些同类型产品。而壳体与汽车连接部份又主要取决于主机厂。国内压缩机的壳体外形可设计的自由度相对较少。当然也有部份企业还未研究到这一步也是导致目前在行业内未形成壳体设计与NVH相关性研究的原因之一。
电动涡旋压缩机壳体与压缩机其它部件的关系如下,此结构是典型的电动涡旋压缩机结构,因此不再对具体的结构原理作描述。
图1
如上图所示,压缩机的壳体共有三部份组成:排气壳体(主要是组成压缩机排气通道及接口),机体壳体(主要是组成压缩机的涡盘、涡盘支承座、电机等核心部件的外壳结构),驱动器壳体(主要是形成电器的驱动器以及对外高压、通信接口的外壳结构)。下文将针对这3个关键部分进行展开分析。

2 排气壳体与NVH的关系

排气壳体是压缩机高压气体排出的主要通道结构,在NVH中体现为排气脉动、气流啸叫等,为了进一步的优化其NVH性能,从以下几个方面进行优化,经过几处优化后可明显提高其压缩机的NVH性能。

2.1 排气壳体中涡盘体排出气体缓冲腔

缓冲需要具备足够的容积,以保证气体具有足够的缓冲空间对涡旋体排出的气体进行缓冲并均匀排出,使排气脉动平稳,排气NVH优秀。在设计时应尽可能的保持涡盘排出口正对位置具有较大的空间,使涡盘体喷出的高压、高速气体能得到缓冲降噪。一般设计时其涡盘排出口与壳体内壁距离大于涡盘体排出口直径的2倍以上。涡盘体缓冲腔的容积一般按涡盘体的排量(每转排量)10倍以上进行设计。当然为了避免气体的频率放大。一般都会将容积腔的形状做一些非对称、非规则(如整圆形或方形等规则形状)的改变,也会将容积量与涡盘体排量做非整数倍的设计。

2.2 排气壳体中排气口直径设计

这时所述的压缩机排气口指的不是与汽车空调管连接的排气口直径,而是指的是压缩机排气壳体向外排出的最小口径处的直径。该排气口直径如果设计过大,不但不利于压缩机的油气分离。同时也不利于压缩机的排气脉动。一般将其排气直径小于涡盘体的排气口直径,以利于涡盘体排出气体在排出壳体的缓冲腔内充分平稳压力及紊流状态。

2.3 排气壳体的强度及其它影响NVH的因素

排气壳体作为本压缩机中气体压力最高的部件,其必须具备足够的强度。同时足够的强度也是保证NVH的首要条件之一。影响排气壳体NVH还有其它细节,如在气体通过地方应尽可能避免有尖角或单个突出部份的设计等。
设计优化实例如下:
图2

3 驱动器壳体与NVH的关系

驱动壳体的设计要尽可能降低驱动电机的振动以及驱动器运行电磁声,为此将驱动器壳体从以下几个方面进行优化设计从而提高压缩机的NVH性能。

3.1 驱动器壳体的形状

驱动器壳体形状是影响整这一区域NVH最主要的原因,也是最容易忽略的因素。因为此壳体对强度没有要求,且面积大,要求的空间也大,容易被设计成一个溥壁的壳件,形成一个类同于音箱一样的空腔,这样的空腔易对驱动器的NVH以及电机的NVH形成放大效应。使得压缩机的整体NVH增高。一般在此壳体的内外均有意设计一些加强筋、凹凸点等,以避免形成音箱效应,在设计允许的情况下,将壳体设计成异形是最佳的选择。如下例:
图3

3.2 驱动器壳与机体外壳之间的联接

为了保证驱动器壳与机体外壳之间的密封,一般都采用橡胶件进行密封。而橡胶件隔离了两个壳体,也就是说驱动器壳容易悬空形成振动源。为了避免这种情况,在设计除考虑壳体间的密封外,还需要考虑两壳体之间联接稳定性的问题。

4 机体壳体与NVH的关系

机体部份是压缩机低频噪音的主要来源点,也是压缩机进气通道以及电机装配的主要结构,此部份设计主要是降低电机的振动、减小气流的啸叫等,应从以下几个方面进行优化设计:

4.1 涡盘体部分的机体壳体部份

涡盘是压缩机的气体压缩机完成体,是压缩机功能的主体,也是压缩机低频振动源主要发生点。针对这一部份,我们考虑最多的是强度和功能实现。很容易忽略NVH的形成点。在此部份设计时,要保证壳体台阶过渡的平缓性。壳体形状的突变点容易使NVH放大并对强度产生影响。同时也要尽可能的减小此部位的空腔部位防止形成音箱效应。
图4
图5

4.2 电动机部份的机体壳体部位

此部份是压缩机重量最重的部份,同时也是高频振动源发生的主要发生点。同理,针对此部份除强度外。与电动机配合部位的设计也非常重要。电机在运行过程中,受到驱动器的驱动频率影响,电机极对数的影响。电机轴承等诸多因素。所以此部位的设计非常关键,是我们NVH设计的最关键部位。a.与电机的配合设计:应尽可能的加大电机的外圆与壳体配合面积。配合面积越大,越容易抑制电机产生的振动放大。b.电机外围吸气通道的设计:电机的长度较长,设计时容易设计成细长的通道,给吸气造成阻力的同时,更易使吸气产生较大的脉动和啸叫。所以吸气通道要尽可能设计得大,通畅。但此项又同电机的配合面积形成冲突,所以需要综合评判或另取设计方法。此外,在设计吸气通道时会有意的设计部份凹凸形状也是为了避免形成音箱效应的主要技巧。c.部份电机为了得到更大的效率,会在电机的外圆上增加各种形状的隔磁槽。在遇到此类电机时,应尽可能将吸气通道与隔磁槽对正。一方面可避免隔磁槽与壳体之间形成细小通道,形成气体的啸叫。同时避免磁场的突变在此处形成共振或产生放大效应。d.壁厚的均匀性设计,压缩机的此处部份正好是低压区同涡盘体区域的连接部位,易设计成壁厚不同的区域。而经过实践证明,涡盘体是主要的低频振动源,电机是主要的高频振动源,电机转子也同样是振动源之一。故此处的压缩机强度要求基本是一致的。设计需将壁厚设计均匀。在变化处也应尽量圆滑过渡。(图5)

4.3 驱动器部份的机体壳体部位

此部位大部份的要求同驱动器壳体相同。需要在面积较大的面上设计不同的凹凸点来达到消音作用,避免音箱效应。此外还需要注意在壳体形成驱动器保护的四周边上适当的设置加强筋来避免音箱效应。如果设计允许时尽可能将形状设计为异形更佳。此部位的壁厚可适当的减小(设计时可参照驱动器壳体壁厚进行设计)。此原理类同于3.1条。

4.4 压缩机吸气口部份的机体壳体部位

此部位的设计相对比较简单,一般主机厂对吸气口都具有较为细节的要求。我们在设计时需尽可能的加大吸气口的直径通道。同时在电机尾部吸气通道侧也需要设置一个吸气缓冲腔。其吸气缓冲腔的容积一般在其压缩机每转排量的3倍以上。
图6

4.5 转子轴承部份的机体壳体部位

此部份除强度的考量之外。对NVH最重要的是避免轴承有杂质或缺油损坏造成异响或振动。所以在设计时重点考虑轴承进油口的位置。在压缩机轴向方向,进油孔应尽可能靠近压缩机壁以便于壳体壁上的油液尽可能多的进到轴承。也可以在壳体壁上设置档油筋及导油槽进行加强。在压缩机的径向方向,进油孔应尽可能避免与进气口对正,以避免压缩机带杂质的气体直接进入轴承,造成NVH不良。
图7

5 结论

本文通过电动涡旋压缩机的三大壳体的结构分析总结了与NVH优化的相关性,当然NVH与壳体上的安装脚位置也有一定的关系。但很多主机厂的安装脚位无法更改,当出现安装脚位引起NVH超差是时,可以通过更改安装脚的结构形式或是增减重量的方法进行改进。NVH是一个系统的、复杂的课题,我们在分析时首先要找到主因,如分析出是电机的声音还是气流的声音,或是共振造成。找到主因后再针对零部件进行优化。本文主要针对压缩机壳体给大家提供一个参考的方向。壳体的优化还可以结合频谱等进一步的研究,以得到更加细致的结论。


文章来源:汽车热管理之家

作者:上海光裕汽车空调压缩机有限公司 张恩祖