CN110230657A - 一种多阻尼层局域共振子单元及其使用方法 - Google Patents

一种多阻尼层局域共振子单元及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多阻尼层局域共振子单元，刚性外壳内设有内隔圈将刚性外壳的内腔分为上、下两层，上层空间设有第三粉体阻尼层，第三粉体阻尼层设有粉粒体，粉粒体占到整个上层空间容积的65‑75%，下层空间由上而下依次设有第二粘弹性材料阻尼层和第一振动层，第一振动层的底部凸出刚性外壳的底边。通过三种不同材质的阻尼层的结构，使得三层阻尼层对中频区、高频区的显著效果互补，达到良好的减振降噪效果，使用时，将若干个多阻尼层局域共振子单元形成晶格，均匀布设在机壳外表面，使有效减振频域大大增加，对电机产生的200Hz‑4000Hz的振动噪声均有明显的减弱效果。

Description

一种多阻尼层局域共振子单元及其使用方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机减振降噪的技术领域，具体地说是一种用于新能源车的电机机壳减振降噪的多阻尼层局域共振子单元,尤其涉及一种通过声学超材料周期排布及不同阻尼吸能结构对电机产生的振动能量进行吸收耗散以达到减振降噪目的多阻尼层局域共振子单元。
背景技术
今年来，纯电驱动的新能源乘用车已经成为了汽车产业的主流发展方向，永磁同步电机也由于其重量轻、功率密度大等优点被更多的应用于乘用车驱动系统的设计中。随着对乘员驾驶及乘坐体验的更高要求，永磁同步电机的振动噪声问题已经成为了电机驱动系统设计制造的重点考量因素。然而现有降噪手段主要集中在设计端，对于装车测试时电驱动系统由于其复杂结构所产生的难以预测的局部共振现象的解决方法并不多见。
目前主要的减少永磁同步电机振动噪声的手段有转子分段斜极、转子极弧系数优化等方法，该类方法旨在优化电机气隙磁场的磁密波形进而优化电机径向电磁力波形和转矩脉动占比分量，以达到减弱电机振动噪声的目的。这类方法只能在设计端优化电机的振动噪声，但由于新能源车用永磁同步电机结构通常需要与整车动力系统进行匹配设计，故而其机械结构尤其是机壳通常具有较为复杂的结构，不同安置点的力学连接又较为复杂，所以在设计端并不能全面考虑到电机的振动情况。所以设计端优化方案完备，但制造出的样机装车测试时噪音过大的现象也难以避免，而传统的设置不同阻尼吸振器的方法则很大程度上受到整车设计中对于质量、结构尺寸的严格要求的限制，而难以实施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的多阻尼层局域共振子单元及其使用方法，通过在制作特殊的多阻尼层局域共振子单元结构，降低振动噪音，多阻尼层局域共振子单元安装于电机机壳外部，可以有效减弱设计端难以预测的电机振动噪声问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多阻尼层局域共振子单元，包括刚性外壳，其特征在于：刚性外壳内设有内隔圈，将刚性外壳的内腔分为上、下两层，上层空间设有第三粉体阻尼层，第三粉体阻尼层设有粉粒体，粉粒体占到整个上层空间容积的65-75％，下层空间由上而下依次设有第一橡胶阻尼层的外壁设有固定槽，刚性外壳的壁壳上设有与固定槽相配合的约束调节孔，第一振动层的底部凸出刚性外壳的底边。
优选的，第二粘弹性材料阻尼层采用的粘弹性材料为沥青基粘弹性材料或聚氨酯基橡胶或泡沫材料或硅胶材料，第二粘弹性材料阻尼层的最大损耗因子η2max≥0.9，第二粘弹性材料阻尼层的静刚度小于导热橡胶块的静刚度和上层刚性外壳的刚度，第一振动层和上层刚性外壳对第二粘弹性材料阻尼层产生约束力，使得第二粘弹性材料阻尼层的振动能量耗散增大。
进一步，第三粉体阻尼层的粉粒体由包裹阻尼浆的颗粒制成，颗粒可以采用直径为1-2mm的金属颗粒或者混合橡胶的金属颗粒制成。
一种多阻尼层局域共振子单元的使用方法，其特征在于：在电机机壳的外表面，沿着圆周方向，设置至少2层及以上的多阻尼层局域共振子单元，相邻两层的间距为35—80mm，两个相邻的多阻尼层局域共振子单元的间距为40-150mm，刚性外壳内从上至下依次设有第三粉体阻尼层、二粘弹性材料阻尼层和第一振动层。
相对于现有技术，本发明的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：
1、本发明所述的改进方案，局域共振子单元内设有三层不同的阻尼层,分别是第三粉体阻尼层、第二粘弹性材料阻尼层和第一振动层，通过三种不同材质的阻尼层的结构，使得三层阻尼层对中频区、高频区的显著效果互补，达到良好的减振降噪效果；
2、本发明的技术方案的中，第三粉体阻尼层设有粉粒体，粉粒体由包裹阻尼浆的颗粒制成，粉粒体占到整个上层空间容积的65-75％，通过包裹粘弹性阻尼浆的金属颗粒相互碰撞摩擦以达到耗散振动能量的目的，第三阻尼层主要针对高频区域的振动能量耗散，可以有效与第一、第二阻尼层互补；
3、本发明第一振动层可以采用导热硅基橡胶或振梁结构，通过各个振荡子单元振动层提前产生的共振在低频区(200-400Hz)范围内产生高效隔声峰，有效屏蔽电机的振动噪声；
4、本发明使用在电机机壳的外表面，若干个多阻尼层局域共振子单元形成晶格，均匀布设在机壳外表面，使有效减振频域大大增加，对电机产生的200Hz-4000Hz的振动噪声均有明显的减弱效果；
5、本发明的结构简单，便于安装和使用，易于推广和利用。
附图说明
图1为本发明的分散结构示意图。
图2为本发明的局部放大示意图。
图3为本发明的一实施例的结构示意图。
图4为本发明采用梁结构振动单元的结构示意图。
图5为本发明采用梁结构振动单元的又一结构示意图。
图6为本发明的一实施例的使用状态参考图。
图7为本发明的一实施例的又一使用状态参考图。
图8为本发明一实施例的振子分布晶格图。
图9为本发明又一实施例的振子分布晶格图。
图10为本发明的电机机壳使用状态参考图。
附图标记：
1.第一振动层 11.空心铝制内套 12.固定槽；
2.第二粘弹性材料阻尼层；
3.第三粉体阻尼层 31.粉粒体；
4.约束层固定件；
5.刚性外壳 51.刚性外壳内腔体 52.约束调节孔；
6.梁结构振动层；
7.梁结构振动固定件；
8.电机机壳 81.电机机壳安装孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种多阻尼层局域共振子单元，具体参见图1，包括刚性外壳5，其与现有技术的区别在于：刚性外壳内中部位置设有内隔圈，将刚性外壳的内腔分为上、下两层，上层空间设有第三粉体阻尼层3，第三粉体阻尼层设有粉粒体31，粉粒体占到整个上层空间容积的65-75％，下层空间由上而下依次设有第二粘弹性材料阻尼层2和第一振动层1，第一振动层的外壁设有固定槽12，刚性外壳的壁壳上设有与固定槽相配合的约束调节孔，第一振动层的底部凸出刚性外壳的底边，一般凸出底边1-5mm，起到更好的弹性作用和对于振动能量的吸收。
具体来说，局域共振子单元内设有三层不同的阻尼层,分别是第三粉体阻尼层、第二粘弹性材料阻尼层和第一振动层，其中第一振动层的底部凸出刚性外壳的底边，这里通过三种不同材质的阻尼层的结构组合并且共同作用，使得三层阻尼层对中频区、高频区的显著效果互补，达到良好的减振降噪效果。
第一振动层采用橡胶振动层或者梁结构振动单元构成，橡胶振动层采用导热硅基橡胶材料制成，橡胶振动层上设有固定沟槽，用以调整橡胶层对粘弹性阻尼层的约束强度，同时也可以方便控制第二粘弹性阻尼层中材料的用量，此种设计还可以方便随时更换改变第二粘弹性层中的粘弹性体材料。
优选的，第一弹性振动层还可以由梁结构振动单元替代，如另一个实施案例中所示，不同于橡胶块材料的刚度可以直接得出，梁结构振动单元的动刚度可以通过下列方式计算得出：
其中Dd是梁结构振动单元的动刚度；E为梁结构材料杨氏模量，杨氏模量在70-220GPa；υ为梁结构材料泊松比，泊松比值选择在0.3-0.4；I为梁结构材料的转动惯量，根据振梁物理结构计算，振梁物理结构根据不同工况确定；A为梁结构横截面积；ω为振动角频率，通过这个公式计算振梁的动刚度，从而获得整个振子单元的固有频率，控制振子单元的固有频率在200-400Hz。。运用梁结构振动单元替代橡胶块材料的第一弹性振动层可以获得更好的振动效果，在低频段产生的屏蔽峰效果更好，但对于空间尺寸的要求更高，体积更大。
第二粘弹性材料阻尼层由约束组件通过刚性外壳上特定的孔被紧密约束，该种结构形成约束层与阻尼层结构，可以使粘弹性阻尼层更好地吸收振动能量，同时通过刚性外壳上对应的不同孔的位置，可以调整粘弹性材料的填料量及粘弹性层的约束程度。
在一个实施例中，刚性外壳内从上至下分别设有第三粉体阻尼层、第二粘弹性材料阻尼层和第一振动层，导热橡胶材料充当第一层主要阻尼材料，由于橡胶材料具有冲击刚度大于动刚度，动刚度又大于静刚度的特性，因此具有很好的吸能特性，同时由于其表现出的粘弹性，可以很好地以不可逆形变的方式耗散掉吸收的振动能量。第一阻尼层具有最大损耗因子η1max≥0.7。损耗因子由不同所选橡胶材料的滞后相角α决定，其与损耗因子η的关系满足公式：η＝tanα，对于滞后阻尼各向同性的橡胶材料，其复数杨氏模量E*被限定为：
其中E为橡胶的弹性模量。普通橡胶阻尼材料的损耗因子和弹性模量随振动频率的改变而改变，在频率增加的过程中，弹性模量一直随之增加，损耗因子在中频区域的某个频率达到最大值，在低频区和高频区的损耗因子都较小，因此第一阻尼层对于中频区的振动具有明显的耗散削弱作用。所述的固定槽为可调节安装位置的槽孔组，由至少两个槽孔串联而成，约束调节孔内设置可拆卸的约束层固定件。
同时，第二粘弹性材料阻尼层采用的粘弹性材料为沥青基粘弹性材料或聚氨酯基橡胶或泡沫材料或硅胶材料，这里所述的粘弹性材料均为现有技术，具体来说，其中的聚氨酯泡沫可以采用SOPREMA公司的n.INSFR037/b型号聚氨酯泡沫。，第二粘弹性材料阻尼层的最大损耗因子η2max≥0.9，第二粘弹性材料阻尼层的静刚度小于导热橡胶块的静刚度和上层刚性外壳的刚度，第一振动层和上层刚性外壳对第二粘弹性材料阻尼层产生约束力，使得第二粘弹性材料阻尼层的振动能量耗散增大。
进一步，由于第一振动层的静刚度远大于第二粘弹性阻尼层的静刚度，因此第一振动层的上表面与刚性腔体下表面可以构成约束层结构，对第二粘弹性阻尼层起到约束作用，形成约束层加阻尼层结构，更好的发挥吸能效果，起到隔离两个阻尼层的作用，同时对阻尼层产生约束力。
在另一个实施例中,参见图4、图5，刚性外壳为铝制外壳，外壳直径为13-18mm，第一振动层的底部凸出刚性外壳的底边2-3mm。第一振动层采用梁结构振动单元，梁结构振动单元包括套设于刚性外壳内的空心铝制内套，以及设置于刚性外壳顶部的梁结构振动层，空心铝制内套上设有与约束调节孔相配合的固定槽，这个固定槽也是由至少两个槽孔串联而成，约束调节孔内设置可拆卸的约束层固定件。约束调节组件可以更好地控制约束层的约束强度，并方便随时拆卸以填充、取出或更换阻尼层材料。更多的粘弹性阻尼材料会有更好的减震效果，但会增加总体重量，降低整机功率密度。约束层的约束强度也影响粘弹性阻尼层的吸能效果，过松则振动为完全传导至粘弹性阻尼层，过紧则阻碍阻尼层自身的塑形形变，因此设置约束调节组件以更好的根据所选粘弹性阻尼层的材料及填料量匹配最优的约束强度。
进一步，梁结构振动层由至少两组振动片连接而成，如果设置两组振动片展开时设有60-90度夹角，使得整个共振子单元提前产生共振，共振在低频区(200-400Hz)范围内产生高效隔声峰，有效屏蔽电机的振动噪声，梁结构振动层通过梁结构振动固定件与刚性外壳的顶部相连，这里的梁结构振动固定件包括连接杆和连接杆顶部用以固定振动片的连接端，每组振动片的中心处设有安装孔，使得振动片可以穿设在连接端处。
第三粉体阻尼层的粉粒体由包裹阻尼浆的颗粒制成，颗粒可以采用直径为1-2mm的金属颗粒或者混合橡胶的金属颗粒制成，具体来说可以采用金属钢珠包裹沥青基阻尼浆，每个粉粒体中，金属钢柱与沥青基阻尼浆的体积比为1:0.2-0.5。粉粒体以占据上层腔体内容积的65％-75％的方式填充，优选填充68-70％，从而能够使粉粒体在腔体内内更高效率地运动，并增加粉粒体与粉粒体间、与上层腔体的内壁非弹性碰撞及摩擦所耗散的能量。随着振动频率的增加，腔体内的粉粒体运动更为剧烈，非弹性碰撞和摩擦现象越明显，由此引发的能量耗散更高。第三阻尼层主要针对高频区域的振动能量耗散，可以有效与第一、第二阻尼层互补。
在一个使用方法的实施例中，本发明所述机壳表面周期分布于振子单元相配合的圆孔，方便振子单元更好的与机壳相连接，比如第一橡胶振动层可以直接粘接在孔中，又或者第一振动层的中空心铝制底座可以插入孔中后焊接。同时周期分布的孔状结构可以方便振动子单元根于不同应用环境选择相匹配的晶格分布。
具体来说，在电机机壳的外表面，沿着圆周方向，设置至少2个以上的多阻尼层局域共振子单元组成的晶格单元，晶格单元中，两个相邻的多阻尼层局域共振子单元的间距为40-150mm，刚性外壳内从上至下依次设有第一振动层、第三粉体阻尼层和第二粘弹性材料阻尼层。第一振动层采用梁结构振动单元，空心铝制内套上设有与约束调节孔相配合的固定槽，这个固定槽由三个槽孔串联而成，约束调节孔内设置可拆卸的约束层固定件。
进一步，梁结构振动层由三组振动片连接而成，振动片为铝制薄片，结构为中间厚，两端薄的形式，相邻的两组振动片展开夹角为40-60度，其中三组振动片可以设置成一短两长的形式，两者的比例为1:1.35，通过振动片的夹角来调节振子单元的固有频率，梁结构振动层使得整个共振子单元提前产生共振，共振在低频区(200-400Hz)范围内产生高效隔声峰，有效屏蔽电机的振动噪声。
本发明局域共振子单元成周期状排布于机壳上，其等效模型如图8、9所示，可将本发明描述结构等效为弹簧-阻尼-质量模型，如图9所示各局域共振子单元间以矩形晶格周期性排布，每3-8个多阻尼层局域共振子单元组成一个晶格单元，晶格单元形状为三角形、方形、菱形、半圆形和梯形。这些晶格单元在机壳外表面反复出现，同时相邻的晶格单元首尾相连在机壳表面布设一整圈，这里的相邻的晶格首尾相连可以是连着一条直线或者连接成弧线或者折线，也可以上、下错开一定距离连接，具体可以根据减振的要求来进行布设。比如连接时，对于三角形晶格单元可以一个三角形正设置，一个倒过来设置，使得成为之字形的连接。
所述单个局域共振子单元固有频率应保持在200-500Hz之间，使隔声峰可以准确的出现在低频区，优选地每个共振子单元固有频率可以不相等，保持在200-500Hz间即可。通过声学超材料技术，在局域共振子单元固有频率处相产生一条隔声峰，在对低频振动与噪声有明显的减弱，与第一、第二、第三阻尼层对中频区、高频区的显著效果互补，使本发明能在更广的频域内起到良好的减振降噪效果。
在另一个实施方法的实施例中，多阻尼层局域共振子单元外径为15mm，为保证其声学超材料结构的有效性，第一阻尼层的橡胶块需高出钢体外壳2-3mm，本实施方案取值为2.5mm。粉粒体为直径1-2mm的金属颗粒组成，优选地也可以由裹阻尼浆的金属颗粒、或者混合橡胶粒的金属颗粒组成，填充率为上层腔体体积的68％。
多阻尼层局域共振子单元共有三层，三层多阻尼层局域共振子单元沿电机机壳的外表面布设，每层间距为60mm，每两个相邻的多阻尼层局域共振子单元的间距为108.28mm，间距角为30°，其中，每四个多阻尼层局域共振子单元组成一个菱形晶格。通过对不同减振降噪原理的结合，使有效减振频域大大增加，当在240-460Hz低频区产生有效隔声峰，隔声峰频带内的隔声量比无附加局域振荡子单元的机壳高出8-12dB左右。实施中，4000Hz以内各个共振频率附近降噪均能达到8-40dB，可以有效降低全频域的振动噪声。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多阻尼层局域共振子单元，包括刚性外壳，其特征在于：刚性外壳内设有内隔圈，将刚性外壳的内腔分为上、下两层，上层空间设有第三粉体阻尼层，第三粉体阻尼层设有粉粒体，粉粒体占到整个上层空间容积的65-75%，下层空间由上而下依次设有第二粘弹性材料阻尼层和第一振动层，第一振动层的外壁设有固定槽，刚性外壳的壁壳上设有与固定槽相配合的约束调节孔，第一振动层的底部凸出刚性外壳的底边。
2.根据权利要求1所述的一种多阻尼层局域共振子单元，其特征在于： 第一振动层采用橡胶振动层或者梁结构振动单元构成，橡胶振动层采用导热硅基橡胶材料制成，第一振动层具有最大损耗因子 1max ，所述的固定槽为可调节安装位置的槽孔组，由至少两个槽孔串联而成，约束调节孔内设置可拆卸的约束层固定件。
3.根据权利要求2所述的一种多阻尼层局域共振子单元，其特征在于：梁结构振动单元包括套设于刚性外壳内的空心铝制内套，以及设置于刚性外壳顶部的梁结构振动层，空心铝制内套上设有与约束调节孔相配合的固定槽，梁结构振动层由至少两组振动片连接而成，梁结构振动层通过梁结构振动固定件与刚性外壳的顶部相连。
4.根据权利要求1所述的一种多阻尼层局域共振子单元，其特征在于： 第二粘弹性材料阻尼层采用的粘弹性材料为沥青基粘弹性材料或聚氨酯基橡胶或泡沫材料或硅胶材料，第二粘弹性材料阻尼层的最大损耗因子 2max ，第二粘弹性材料阻尼层的静刚度小于导热橡胶块的静刚度和上层刚性外壳的刚度，第一振动层和上层刚性外壳对第二粘弹性材料阻尼层产生约束力，使得第二粘弹性材料阻尼层的震动能量耗散增大。
5.根据权利要求1所述的一种多阻尼层局域共振子单元，其特征在于：第三粉体阻尼层的粉粒体由包裹阻尼浆的颗粒制成，颗粒可以采用直径为1-2mm的金属颗粒或者混合橡胶的金属颗粒制成。
6.根据权利要求1所述的一种多阻尼层局域共振子单元，其特征在于：刚性外壳为铝制外壳，外壳直径为13-18mm，第一振动层的底部凸出刚性外壳的底边2-3mm。
7.据权利要求1所述的一种多阻尼层局域共振子单元的使用方法，其特征在于：在电机机壳的外表面，沿着圆周方向，设置至少2个以上的多阻尼层局域共振子单元组成的晶格单元，晶格单元中，两个相邻的多阻尼层局域共振子单元的间距为40-150mm，刚性外壳内从上至下依次设有第三粉体阻尼层、二粘弹性材料阻尼层和第一振动层。
8.据权利要求7所述的一种多阻尼层局域共振子单元的使用方法，其特征在于：电机机壳表面布设的多阻尼层局域共振子单元共有三层，每层间距为60mm，每两个相邻的多阻尼层局域共振子单元的间距为100-109mm，间距角为30°，其中，每四个多阻尼层局域共振子单元组成一个菱形晶格。
9.据权利要求7所述的一种多阻尼层局域共振子单元的使用方法，其特征在于：每3-8个多阻尼层局域共振子单元组成一个晶格单元，晶格单元形状为三角形、方形、菱形、半圆形和梯形，第三粉体阻尼层的粉粒体由包裹阻尼浆的颗粒制成，颗粒可以采用直径为1-2mm的金属颗粒或者混合橡胶的金属颗粒制成。
10.据权利要求7所述的一种多阻尼层局域共振子单元的使用方法，其特征在于：第一振动层采用导热橡胶制成，第一阻尼层具有最大损耗因子 1max ；第二粘弹性材料阻尼层采用的粘弹性材料为聚氨酯基橡胶材料，第二粘弹性材料阻尼层的最大损耗因子 2max ，第二粘弹性材料阻尼层的静刚度小于导热橡胶块的静刚度和上层刚性外壳的刚度，第一振动层和上层刚性外壳对第二粘弹性材料阻尼层产生约束力，使得第二粘弹性材料阻尼层的震动能量耗散增大。
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