本發明屬于電機振動噪聲控制，具體涉及一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋。

背景技術：

1、隨著環境污染和天然資源匱乏等問題的出現，各行各業都更傾向于采用電動機作為工業動力源。例如，傳統的燃油發動機汽車有逐漸被新能源汽車取代的趨勢。電動機具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗小、效率高和形狀尺寸可以靈活多樣等顯著優點，應用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農業生產和日常生活的各個領域。隨著科學技術的進步和人們生活水平的日益提高，對電機各方面性的要求也越來越高，尤其是在電機振動噪聲控制方面。電動機作為機電系統中的動力來源，其振動噪聲的大小將直接影響機電系統的整體性能。

2、目前，針對電機端蓋進行減振降噪的技術有，在蓋體內側增設減振墊和緩沖塊對電機殼體振動進行適當緩沖，再結合端蓋上設置的吸聲棉、消聲材料等對工作產生的噪聲進行消耗和吸收，該結構能夠起到一定的緩沖減振及消聲作用，但并未從根本上將振動和噪聲進行消除，因此在減振過程中仍存在振動波的反射，對電機使用性能產生不良影響。在電機減振中還有采用減振彈簧進行隔振處理，采用彈性材料或彈性部件能夠使傳遞到被減振部件的激振減少，但是需要考慮復雜的安裝結構，如安裝位置和結構不合適或導致隔振效果差；在高頻振動環境中，彈簧逐漸呈現剛性，彈性變差，隔振阻尼效果變差，被稱為“高頻失效”。

3、綜上所述，已公開的電機端蓋減振降噪技術難以將振動波減小至零反射，特別是在航空航天等對于減振降噪需求較高的領域中仍無法滿足要求。

技術實現思路

1、要解決的技術問題：

2、為了避免現有技術的不足之處，本發明提供一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋，基于聲學黑洞結構在理想狀態下能夠實現波傳遞的零反射原理，將聲學黑洞構件耦合于電機法蘭端蓋上，通過設計聲學黑洞構件的布局、結構等特征，實現對彎曲波振動能量的耗散，實現在全頻段內電機法蘭端蓋均具備高效減振降噪性能。

3、本發明的技術方案是：一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋，包括電機法蘭端蓋本體，所述電機法蘭端蓋本體包括法蘭端蓋內環、外環及將兩者同軸連接為一體的周向陣列骨架肋條；所述周向陣列骨架肋條的兩側端面上對稱設置有陣列聲學黑洞組件，其中位于一側的陣列聲學黑洞組件包括沿周向和徑向陣列的若干聲學黑洞組件，周向的陣列周期與骨架肋條的陣列周期一致。

4、本發明的進一步技術方案是：所述聲學黑洞組件沿徑向的陣列數量根據骨架肋條的徑向長度設計。

5、本發明的進一步技術方案是：所述聲學黑洞組件的長度方向為骨架肋條與法蘭端蓋內環交點的切線方向。

6、本發明的進一步技術方案是：所述聲學黑洞組件包括聲學黑洞構件及敷設于其末端表面的阻尼層；所述聲學黑洞構件是截面沿長度方向拉伸而成的楔形結構，其截面高度變化滿足下式：

7、h(x)＝kx2+j?0≤x≤i

8、其中，k為聲學黑洞冪指數函數系數，j為聲學黑洞區域的最小厚度，i為聲學黑洞冪指數函數最大取值。

9、本發明的進一步技術方案是：所述聲學黑洞構件截面大的一端為起點，通過緊固件安裝于骨架肋條端面上；截面漸縮的一側朝向相鄰骨架肋條之間的空腔；截面小的一端為末端，其平面側敷設阻尼層。

10、本發明的進一步技術方案是：所述阻尼層的材料為丁腈橡膠。

11、本發明的進一步技術方案是：所述聲學黑洞構件和電機法蘭端蓋本體的材質一致，均為7055鋁合金。

12、一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋的設計方法，具體步驟如下：

13、構建電機法蘭端蓋本體的有限元仿真模型；

14、對電機法蘭端蓋本體模型加載徑向和軸向激勵，獲取電機法蘭端蓋本體模型的位移模態云圖；

15、基于位移模態云圖將聲學黑洞組件的安裝位置確定于電機法蘭端蓋本體的骨架肋條上；

16、將聲學黑洞構件截面高度變化函數的冪指數設定為2，計算得到聲學黑洞構件的外型結構；

17、根據電機法蘭端蓋本體的骨架肋條陣列數量和徑向長度確定聲學黑洞組件的陣列數量；

18、將所有聲學黑洞組件的起點端通過緊固件固定于周向陣列骨架肋條兩端的對應位置；

19、采用均方振動速度級對所述基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋進行減振性能評估。

20、本發明的進一步技術方案是：所述采用均方振動速度級進行減振性能評估的方法為：分別向基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋施加徑向激勵和軸向激勵，將法蘭端蓋外環端面確定為拾振面，計算均方振動速度級大小，如均方振動速度級滿足設計要求則完成設計；如不滿足，對聲學黑洞構件的設計變量截面高度進行優化，直至滿足設計為止。

21、一種電機，包括所述基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋。

22、有益效果

23、本發明的有益效果在于：本發明在輕質電機法蘭端蓋的骨架肋條兩側端面分別陣列多個聲學黑洞組件，當振動產生的彎曲波能量傳遞到法蘭端蓋時，能夠將彎曲波集中到聲學黑洞構件上；再利用敷設在聲學黑洞結構末端的阻尼層對彎曲波振動能量進行耗散，實現高效的減振降噪性能，尤其對中低頻減振降噪效果較為突出。

24、本發明引入聲學黑洞結構，將其設計為連接于骨架肋條上的楔形懸臂梁形式，使彎曲波的波速隨著梁厚度的減小逐漸減小，在理想的情況下波速可減小為零從而實現波的零反射，通過周向和徑向陣列設置能夠實現端蓋的高效減振降噪和能量回收。聲學黑洞組件具有結構簡單、輕量化、低頻高效減振和易于加工等優點。

25、經驗證，在1～10000hz范圍內，輕質電機法蘭端蓋的均方振動速度級平均降低5.82db，具備高效減振降噪性能優勢，在航空航天、汽車制造和船舶領域中對電機振動噪聲高效控制方面具有廣闊的應用前景。

技術特征：

1.一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋，包括電機法蘭端蓋本體，所述電機法蘭端蓋本體包括法蘭端蓋內環、外環及將兩者同軸連接為一體的周向陣列骨架肋條；其特征在于：所述周向陣列骨架肋條的兩側端面上對稱設置有陣列聲學黑洞組件，其中位于一側的陣列聲學黑洞組件包括沿周向和徑向陣列的若干聲學黑洞組件，周向的陣列周期與骨架肋條的陣列周期一致。

2.根據權利要求1所述一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋，其特征在于：所述聲學黑洞組件沿徑向的陣列數量根據骨架肋條的徑向長度設計。

3.根據權利要求1所述一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋，其特征在于：所述聲學黑洞組件的長度方向為骨架肋條與法蘭端蓋內環交點的切線方向。

4.根據權利要求1所述一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋，其特征在于：所述聲學黑洞組件包括聲學黑洞構件及敷設于其末端表面的阻尼層；所述聲學黑洞構件是截面沿長度方向拉伸而成的楔形結構，其截面高度變化滿足下式：

5.根據權利要求1所述一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋，其特征在于：所述聲學黑洞構件截面大的一端為起點，通過緊固件安裝于骨架肋條端面上；截面漸縮的一側朝向相鄰骨架肋條之間的空腔；截面小的一端為末端，其平面側敷設阻尼層。

6.根據權利要求5所述一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋，其特征在于：所述阻尼層的材料為丁腈橡膠。

7.根據權利要求5所述一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋，其特征在于：所述聲學黑洞構件和電機法蘭端蓋本體的材質一致，均為7055鋁合金。

8.一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋的設計方法，其特征在于具體步驟如下：

9.根據權利要求8所述一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋的設計方法，其特征在于：所述采用均方振動速度級進行減振性能評估的方法為：分別向基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋施加徑向激勵和軸向激勵，將法蘭端蓋外環端面作為拾振面，計算均方振動速度級大小，如均方振動速度級滿足設計要求則完成設計；如不滿足，對聲學黑洞構件的設計變量截面高度進行優化，直至滿足設計為止。

10.一種電機，其特征在于：包括權利要求1-8任一項所述基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋。

技術總結
本發明一種基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋，屬于電機振動噪聲控制技術領域；包括電機法蘭端蓋本體，所述電機法蘭端蓋本體包括法蘭端蓋內環、外環及將兩者同軸連接為一體的周向陣列骨架肋條；所述周向陣列骨架肋條的兩側端面上對稱設置有陣列聲學黑洞組件，其中位于一側的陣列聲學黑洞組件包括沿周向和徑向陣列的若干聲學黑洞組件，周向的陣列周期與骨架肋條的陣列周期一致。本發明在全頻段內均可實現彎曲波振動能量耗散，基于聲學黑洞原理的輕質電機法蘭端蓋具備高效減振降噪性能。

技術研發人員：高南沙,趙艷彪,李奕霆,張智成,潘光
受保護的技術使用者：西北工業大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28