CN109631247A - 空调器及其共振规避设计方法 - Google Patents

空调器及其共振规避设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于空调技术领域，具体提供了一种空调器及其共振规避设计方法。本发明的空调器包括壳体、通过电机支架固定于壳体的电机以及安装于电机的风扇，空调器的共振规避设计方法包括以下步骤：获取电机的基础转速；计算基础转速时风扇的激振频率；获取电机支架在基础参数时的固有频率；比较激振频率与固有频率，若激振频率与固有频率的差值小于等于预设阈值，则调整基础转速和/或基础参数，从而激振频率与固有频率相差一定的值而避免风扇随着电机转动时与电机支架产生共振，解决了现有空调器运行过程中室外机中风扇随电机转动易与电机支架产生共振而产生噪声、连接结构松动以及电机支架破坏的问题。

Description

空调器及其共振规避设计方法
技术领域
本发明属于空调技术领域，具体提供了一种空调器及其共振规避设计方法。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，空调器成为人们生活中必备的家用电器。无论是在炎热的夏季，还是在寒冷的冬季，空调器均能够将室内环境温度调节至较为舒适的温度，提高了人们的舒适度。不过，空调器在不同的工作模式下，室外机内的电机会以不同的转速带动风扇转动，当风扇随着电机转动产生的激励频率与电机支架的固有频率相同或者接近时会产生共振而产生较大的噪声，影响人们的生活。
鉴于此，改进后的空调器在室外机的壳体内设置有吸声结构，通过吸声结构吸收风扇随电机转动时与电机支架共振而产生的噪声。虽然通过吸声结构在一定程度上降低了风扇随电机转动时与电机支架共振而产生的噪声，但是并未消除风扇随电机转动时与电机支架产生共振的现象，长时间的共振将造成连接结构的松动甚至电机支架的破坏，进而造成空调器发生故障。
相应地，本领域需要一种新的技术方案来解决上述问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有空调器运行过程中室外机中风扇随电机转动易与电机支架产生共振而产生噪声、连接结构松动以及电机支架破坏的问题，一方面本发明提供了一种空调器的共振规避设计方法，所述空调器包括壳体、通过电机支架固定于所述壳体的电机以及安装于所述电机的风扇，所述设计方法包括以下步骤：获取所述电机的基础转速；计算所述基础转速时所述风扇的激振频率；获取所述电机支架在基础参数时的固有频率；比较所述激振频率与所述固有频率并根据比较结果选择性地调整所述基础转速和/或所述基础参数。
在上述设计方法的优选技术方案中，“根据比较结果选择性地调整所述基础转速和/或所述基础参数”的步骤具体包括：若所述激振频率与所述固有频率的差值小于等于预设阈值，则调整所述基础转速和/或所述基础参数。
在上述设计方法的优选技术方案中，“若所述激振频率与所述固有频率的差值小于等于预设阈值，则调整所述基础转速”的步骤包括：根据所述固有频率确定所述风扇的目标激振频率；根据所述目标激振频率计算所述电机的目标转速；将所述基础转速调整为所述目标转速。
在上述设计方法的优选技术方案中，所述基础参数包括所述电机支架的质量和刚度中的一种或者多种。
在上述设计方法的优选技术方案中，“调整所述基础参数”的步骤包括：增加/减小所述电机支架与所述壳体的连接处的预紧力以增加/减小所述基础参数中的刚度进而提高/降低所述固有频率；并且/或者增加/减小所述电机支架与所述壳体之间的连接点的数量以提高/降低所述基础参数中的刚度进而提高/降低所述固有频率。
在上述设计方法的优选技术方案中，所述电机支架与所述壳体通过焊接或者可拆卸的连接方式形成所述连接点。
在上述设计方法的优选技术方案中，“调整所述基础参数”的步骤包括：更换所述电机支架的材质以通过增加/减小所述材质的密度的方式增加/减小所述基础参数中的质量进而降低/提高所述固有频率；并且/或者增加/减小所述电机支架的尺寸参数以增加/减小所述基础参数中的质量进而降低/提高所述固有频率。
在上述设计方法的优选技术方案中，所述电机支架的尺寸参数包括所述电机支架的任意局部的尺寸参数。
在上述设计方法的优选技术方案中，所述电机支架包括基础框架以及设置于所述基础框架内的连接构件，“增加/减小所述电机支架的尺寸以增加/减小所述基础参数中的质量进而降低/提高所述固有频率”的步骤包括：至少通过增加/减小所述连接构件的个数以增加/减小所述基础参数中的质量进而降低/提高所述固有频率。
本领域技术人员能够理解的是，在本发明的优选技术方案中，空调器包括壳体、通过电机支架固定于壳体的电机以及安装于电机的风扇，空调器的共振规避设计方法包括以下步骤：获取电机的基础转速；计算基础转速时风扇的激振频率；获取电机支架在基础参数时的固有频率；比较激振频率与固有频率，若激振频率与固有频率的差值小于等于预设阈值，则调整基础转速和/或基础参数。在空调器的设计阶段，先获取电机的基础转速并计算基础转速时风扇的激振频率，获取电机支架在基础参数时的固有频率，比较激振频率与固有频率，若激振频率与固有频率的差值小于等于预设阈值，则调整电机的基础转速和/或电机支架的基础参数，使激振频率与固有频率相差一定的值而避免风扇随着电机转动时与电机支架产生共振，进而避免共振产生噪声、连接结构松动以及电机支架破坏，保证了空调器的良好运行，优化了用户的使用体验，解决了现有空调器运行过程中室外机中风扇随电机转动易与电机支架产生共振而产生噪声、连接结构松动以及电机支架破坏的问题。
另一方面，本发明还提供了一种空调器，所述空调器采用上述空调器的共振规避设计方法的优选技术方案中任一项所述的空调器的共振规避设计方法设计而成。
需要说明的是，该空调器具有前述空调器的共振规避设计方法的所有技术效果，在此不再赘述。
附图说明
下面参照附图并结合商用空调器中的室外机来描述本发明的优选实施方式，附图中：
图1是本发明的商用空调共振规避设计方法的流程示意图；
图2是本发明一种实施例的商用空调共振规避设计方法中室外机的电机支架在基础参数下的结构示意图；
图3是本发明一种实施例的商用空调共振规避设计方法中室外机的电机支架通过增加连接点的方式调整基础参数后的结构示意图；
图4是图3中局部A的放大图；
图5是图3中局部B的放大图；
图6是图3中局部C的放大图。
附图标记列表：
11、立柱；12、底板；13、第一支撑板；14、顶板；15、第二支撑板；21、第一连接构件；22、第二连接构件；23、第三连接构件；31、连接件；32、连接杆。
具体实施方式
本领域技术人员应当理解的是，本节实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非用于限制本发明的保护范围。例如，虽然本发明是结合商用空调器中的室外机来对空调器的共振规避设计方法来进行介绍说明的，但是本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合，如本发明的空调共振规避设计方法也可以适用于、商用空调器的室内机、家用空调的室外机或者室内机等。显然，调整后的技术方案仍将落入本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
商用空调器包括彼此连接的室内机和室外机两大部分。室外机包括壳体，在壳体内设置压缩机、散热器、以及用于对散热器降温的风扇组件，风扇组件包括电机，电机的输出轴上安装固定有风扇，电机通过电机支架与壳体固定连接。在商用空调器不同的工作模式下室外机中的风扇随着电机以不同的转速转动，会出现风扇在某些转速下产生的激振频率与电机支架的固有频率相同或接近而产生共振的想象，进而产生较大的噪声，并且长时间的共振将造成连接结构的松动甚至电机支架的破坏。鉴于此，本发明提出了一种空调器的共振规避设计方法。
参照图1，图1是本发明的商用空调共振规避设计方法的流程示意图。如图1所示，本发明的商用空调共振规避设计方法主要包括以下步骤：S100、获取电机的基础转速；S200、计算基础转速时风扇的激振频率；S300、获取电机支架在基础参数时的固有频率；S400、比较激振频率与固有频率并根据比较结果选择性地调整基础转速和/或基础参数。
具体而言，在商用空调器的设计阶段，设计人员根据设计任务经过计算分析后初步确定商用空调内外机中电机的基础转速，并按照公式ω＝nZ/60计算出风扇随电机一起在基础转速时风扇的激振频率。其中，ω为激振频率，n为电机的转速(转/分)，Z为风扇的扇叶数量。接下来，设计人员利用振动试验检测出电机支架在基础参数时的固有频率。最后，设计人员比较风扇的激振频率与电机支架的固有频率的大小，并根据比较结果选择性地调整基础转速和/或基础参数。也就是说，当风扇的激振频率与电机支架的固有频率的差值小于等于预设阈值2Hz时，设计人员通过提高或降低电机的基础转速来改变风扇的激励频率从而使风扇的激励频率与电机支架的固有频率相差一定的值，设计人员也可以通过改变电机支架的基础参数如电机支架的质量或者刚度中的一种或者多种来改变电机支架的固有频率从而使电机支架的固有频率与风扇的激励频率相差一定的值，设计人员还可以同时通过提高或降低电机的基础转速来改变风扇的激励频率的方式和通过改变电机支架的质量或者刚度中的一种或者多种来改变电机支架的固有频率的方式来使电机支架的固有频率与风扇的激励频率相差一定的值，进而避免风扇随电机转动时与电机支架产生共振，从根本上解决了共振产生噪声的问题，并避免共振引起电机、电机支架、壳体等连接固定件的松动以及电机支架破坏的情况出现，保证空调器的正常工作。当风扇的激振频率与电机支架的固有频率的差值大于预设阈值2Hz时，设计人员无需对电机的基础转速和电机支架的基础参数进行调整。需要说明的是，电机支架的固有频率为风扇、电机、电机支架、壳体以及壳体内的其他零部件在组装好的状态下的固有频率，并且是电机支架的前五阶固有频率。
本领域技术人员可以理解的是，预设阈值为“2Hz”仅仅是一种示例性的描述，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合，如预设阈值可以是3Hz、4Hz、5Hz等。此外，设计人员利用振动试验检测电机支架的固有频率的方式也仅是一种具体的实施方式，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，如本领域技术人员利用三维软件绘制空调器的三维模型，按照实际参数设置相应零件的材质、安装预紧力、工况等参数，再利用有限元分析软件如MSC.Patran/Nastran等对空调器三维模型中的电机支架的固有频率进行分析。通过有限元分析软件对空调器三维模型中电机支架的固有频率进行分析的方式来获取电机支架的固有频率，电机支架无需制造出来便能够获取电机支架在相应的基础参数时的固有频率，减少了实验周期和实验成本，加快了设计进度。
优选地，“若激振频率与固有频率的差值小于等于预设阈值，则调整基础转速”的步骤包括：根据固有频率确定风扇的目标激振频率；根据目标激振频率计算电机的目标转速；将基础转速调整为目标转速。具体而言，电机的转速、风扇的扇叶数量、风扇的激振频率之间存在公式ω＝nZ/60所示的关系，当风扇的激振频率与电机支架的一阶固有频率的差值小于等于预设阈值时调整电机的基础转速的方式具体为：先根据电机支架的固有频率确定风扇的目标激振频率，如电机支架的一阶固有频率为30Hz，那么可以将风扇的目标激振频率设定为35Hz，若所设计的风扇的扇叶数为3，将ω＝30、Z＝3代入公式ω＝nZ/60计算出电机的目标转速为n＝700r/min，接下来将电机的基础转速设为目标转速700r/min。需要说明的是，空调器室外机中的风扇通常由多档的转速，即电机的基础转速有多档，那么在设计阶段可以分别计算每档转速对应的风扇的激振频率，分别计算每档转速对应的风扇的激振频率与电机支架的一阶固有频率、二阶固有频率、三阶固有频率、四阶固有频率、五阶固有频率的差值，当电机的某一档转速对应的风扇的激振频率与电机支架的前五阶固有频率中的某一阶固有频率的差值小于等于预设阈值时，根据该阶固有频率设定风扇该档转速对应的目标激振频率，并根据公式ω＝nZ/60计算出电机的目标转速，将电机的该档基础转速调整至电机的目标转速。本领域技术人员可以理解的是，由于激振频率的倍频与电机支架的固有频率的差值小于等于预设阈值时，也能够产生一定程度的共振，因此在设计阶段也可以比较激振频率的倍频和电机支架的固有频率进行比较，根据比较结果调整电机的基础转速和/或基础参数。激振频率的倍频取前五倍的倍频即可。通过调整电机转速的方法，能够快速地确定出避免共振的设计参数，避免空调器在使用过程中出现共振，减少了设计阶段的工作量，降低了设计难度。
优选地，“调整电机支架的基础参数”的步骤包括：增加/减小电机支架与壳体的连接处的预紧力以增加/减小基础参数中的刚度进而提高/降低固有频率；并且/或者增加/减小电机支架与壳体之间的连接点的数量以提高/降低基础参数中的刚度进而提高/降低固有频率。在通过增加/降低电机支架的基础参数中的刚度而提高/降低固有频率后，设计人员可以重新测量电机支架的固有频率，并重新比较风扇的激振频率与电机支架的固有频率，根据比较结果选择性地调整电机的基础转速和/或电机支架的基础参数。
参照图2至图6，图2是本发明一种实施例的商用空调共振规避设计方法中室外机的电机支架在基础参数下的结构示意图；图3是本发明一种实施例的商用空调共振规避设计方法中室外机的电机支架通过增加连接点的方式调整基础参数后的结构示意图；图4是图3中局部A的放大图；图5是图3中局部B的放大图；图6是图3中局部C的放大图。
如图2所示，商用空调器室外机中常用的电机支架包括基础框架和设置于基础框架内的连接构件，基础框架包括两根竖直的立柱11、分别设置在立柱11的下端左右两侧的底板12和第一支撑板13以及设置在立柱11的上端左右两侧的顶板14和第二支撑板15，连接构件包括与两个支柱11连接的两个横向的第一连接构件21、X形的第二连接构件22以及两个横向的第三连接构件23。在装配好的状态下，底板12与空调器室外机的壳体的下部通过螺栓连接固定，第一支撑板13与空调器室外机的壳体的下部相抵靠，顶板14与空调器室外机的壳体的上部通过螺栓连接固定，第二支撑板15与空调器室外机的壳体的上部相抵靠。在设计阶段，通过比较该结构的电机支架的固有频率与风扇的激振频率，设计人员发现激振电机支架的固有频率与风扇的激振频率的差值小于预设阈值，通过增加电机支架与壳体之间的连接点的数量以提高电机支架基础参数中的刚度进而提高电机支架的固有频率。
具体而言，如图3至图6所示，在第二支撑板15上设置连接件31，连接件31的上侧和右侧均设置有两个通孔以便通过螺栓与壳体连接固定，在第二连接构件22与壳体之间设置连接杆32，连接杆32的左端与第二连接构件22的中部焊接固定，连接杆32的右端与空调器的壳体固定连接，第一支撑板13上设置有两个通孔以便通过螺栓与壳体连接固定，从而增加电机支架与壳体之间的连接点的数量，提高电机支架的刚度，进而提高电机支架的固有频率。
本领域技术人员可以理解的是，连接件31与壳体通过螺栓连接固定仅是一种示例性的描述，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合，如连接件31也可以通过焊接、铆接等方式与壳体连接固定，与可以通过销接、卡接等其他可拆卸方式与壳体连接固定。虽然此处仅以增加电机支架与所述壳体之间的连接点的数量以提高基础参数中的刚度进而提高电机支架的固有频率来进行介绍的，本领域技术人员也可以通过其他方式改变电机支架的固有频率，如通过增加螺栓连接的预紧力来改变基础参数中的刚度，或者通过改变连接构件的形状、数量、设置位置等方式来改变电机支架的基础参数中的刚度来改变电机支架的固有频率。
在另一种实施方式中，可以通过更换电机支架的材质以通过增加/减小材质的密度的方式增加/减小基础参数中的质量进而降低/提高固有频率，并且/或者增加/减小电机支架的尺寸参数以增加/减小基础参数中的质量进而降低/提高固有频率。如可以通过将碳钢材质的电机支架更换为铝合金材质的电机支架，可以增加电机支架的局部尺寸，如增加第一连接构件21、第二连接构件22、第三连接构件23的尺寸等，也可以增加电机支架的整体尺寸，但是电机支架的高度不变，还可以通过增加/减小基础框架内的连接构件的数量来增加/减小电机支架的质量进而降低/提高电机支架的固有频率。当然，也可以通过上述方式中的多种组合来改变电机支架的质量从而改变电机支架的固有频率。
通过以上描述可以看出，空调器包括壳体、通过电机支架固定于壳体的电机以及安装于电机的风扇，空调器的共振规避设计方法包括以下步骤：获取电机的基础转速；计算基础转速时风扇的激振频率；获取电机支架在基础参数时的固有频率；比较激振频率与固有频率，若激振频率与固有频率的差值小于等于预设阈值，则调整基础转速和/或基础参数。也就是说，在空调器的设计阶段，比较风扇的激振频率与电机支架的固有频率，当激振频率与固有频率的差值小于等于预设阈值，则调整电机的基础转速和/或电机支架的基础参数，使激振频率与固有频率相差一定的值而避免风扇随着电机转动时与电机支架产生共振，进而避免共振产生噪声、连接结构松动以及电机支架破坏，保证了空调器的良好运行，优化了用户的使用体验。
以上实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种空调器的共振规避设计方法，所述空调器包括壳体、通过电机支架固定于所述壳体的电机以及安装于所述电机的风扇，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
获取所述电机的基础转速；
计算所述基础转速时所述风扇的激振频率；
获取所述电机支架在基础参数时的固有频率；
比较所述激振频率与所述固有频率并根据比较结果选择性地调整所述基础转速和/或所述基础参数。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，“根据比较结果选择性地调整所述基础转速和/或所述基础参数”的步骤具体包括：
若所述激振频率与所述固有频率的差值小于等于预设阈值，则调整所述基础转速和/或所述基础参数。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，“若所述激振频率与所述固有频率的差值小于等于预设阈值，则调整所述基础转速”的步骤包括：
根据所述固有频率确定所述风扇的目标激振频率；
根据所述目标激振频率计算所述电机的目标转速；
将所述基础转速调整为所述目标转速。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设计方法，其特征在于，所述基础参数包括所述电机支架的质量和刚度中的一种或者多种。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，“调整所述基础参数”的步骤包括：
增加/减小所述电机支架与所述壳体的连接处的预紧力以增加/减小所述基础参数中的刚度进而提高/降低所述固有频率；并且/或者
增加/减小所述电机支架与所述壳体之间的连接点的数量以提高/降低所述基础参数中的刚度进而提高/降低所述固有频率。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述电机支架与所述壳体通过焊接或者可拆卸的连接方式形成所述连接点。
7.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，“调整所述基础参数”的步骤包括：
更换所述电机支架的材质以通过增加/减小所述材质的密度的方式增加/减小所述基础参数中的质量进而降低/提高所述固有频率；并且/或者
增加/减小所述电机支架的尺寸参数以增加/减小所述基础参数中的质量进而降低/提高所述固有频率。
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述电机支架的尺寸参数包括所述电机支架的任意局部的尺寸参数。
9.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述电机支架包括基础框架以及设置于所述基础框架内的连接构件，
“增加/减小所述电机支架的尺寸以增加/减小所述基础参数中的质量进而降低/提高所述固有频率”的步骤包括：
至少通过增加/减小所述连接构件的个数以增加/减小所述基础参数中的质量进而降低/提高所述固有频率。
10.一种空调器，其特征在于，所述空调器采用权利要求1至9中任一项所述的设计方法设计而成。
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