微波爐電磁振動(dòng)噪聲機(jī)理與控制方法研究

馬新強(qiáng) 林健 張肅 龔純 程杰鋒

1.美的集團(tuán)中央研究院 廣東佛山 528311；2.廣東美的廚房電器制造有限公司 廣東佛山 528311

1 引言

振動(dòng)噪音是微波爐產(chǎn)品的重要技術(shù)指標(biāo)，也是用戶在產(chǎn)品使用過(guò)程中最關(guān)切的技術(shù)指標(biāo)之一，對(duì)其振動(dòng)噪聲分析與控制是家電行業(yè)研究的熱點(diǎn)。市場(chǎng)常見(jiàn)的變壓器分為兩種：一類為普通微波爐，采用漏感變壓器工作，占市場(chǎng)主導(dǎo)地位；另一類為變頻微波爐，采用變頻器代替變壓器進(jìn)行工作。本文主要針對(duì)普通微波爐開(kāi)展振動(dòng)噪聲研究，其噪音源大體上可以分為四個(gè)部分：（1）漏磁變壓器引起的電磁振動(dòng)噪音；（2）散熱風(fēng)扇產(chǎn)生噪音；（3）機(jī)械噪聲，主要指轉(zhuǎn)盤(pán)或者微波攪拌片等機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪音；（4）磁控管噪音。其中，漏磁變壓器引起的振動(dòng)噪音與風(fēng)機(jī)噪音對(duì)整機(jī)噪音貢獻(xiàn)量最大[1]。本文主要研究?jī)?nèi)容為微波爐變壓器引起的電磁振動(dòng)噪聲問(wèn)題，不涉及微波爐軸流風(fēng)扇引起的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題[2]。實(shí)際使用過(guò)程中的用戶反饋顯示，用戶對(duì)于變壓器引起的“嗡嗡聲”尤為不滿，而對(duì)風(fēng)扇噪音問(wèn)題接受度較高。因此，研究微波爐的振動(dòng)噪音產(chǎn)生機(jī)理和傳遞路徑，能夠高效且具有針對(duì)性地設(shè)計(jì)減振降噪方案，改善微波爐整機(jī)中的振動(dòng)噪音與異音問(wèn)題，提升用戶使用體驗(yàn)[3-5]。

2 微波爐電磁振動(dòng)噪音機(jī)理

普通微波爐所用的變壓器屬于漏感變壓器或稱為漏磁變壓器，兼有穩(wěn)壓與變壓功能為一體的特殊變壓器。通過(guò)變壓器內(nèi)的漏磁支路，吸收初級(jí)線圈側(cè)磁通變化，保證次級(jí)線圈側(cè)的磁通不變，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。漏磁變壓器產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的主要方式分為兩種：（1）變壓器漏磁磁場(chǎng)引起的電磁激勵(lì)振動(dòng)噪聲；（2）變壓器鐵芯磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的振動(dòng)[6-7]。兩者的產(chǎn)生機(jī)理與傳遞路徑大不相同。

2.1 變壓器電磁激勵(lì)噪聲機(jī)理

微波爐變壓器工作時(shí)，鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度處于磁飽和狀態(tài)或者深度磁飽和狀態(tài)，大部分磁通通過(guò)鐵芯與漏磁疊片，但仍有較多的漏磁磁通通過(guò)空氣傳播。因此，位于變壓器周圍的導(dǎo)磁性結(jié)構(gòu)，在交變電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)，從而向周圍輻射振動(dòng)噪音。微波爐的鈑金結(jié)構(gòu)所受的變壓器漏磁磁場(chǎng)的電磁力可以通過(guò)麥克斯韋張量法進(jìn)行計(jì)算。麥克斯韋張量法用等效的磁張力來(lái)代替體積力，根據(jù)介質(zhì)界面的磁通密度求解。該方法能夠很直觀地確定介質(zhì)交界面的電磁力與電磁力密度分布。

根據(jù)麥克斯韋方程組，確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B如式（1）所示：

式中：σ為電導(dǎo)率，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，A為矢量磁位，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，Je為外部電流密度，N為線圈匝數(shù)，Sw為繞組截面積，I為繞組電流。

根據(jù)麥克斯韋張量方程組，確定介質(zhì)交界面上的電磁力的法向與切力如式（2）所示：

式中：B1n、B1t、μ1、B2n、B2t、μ2分別為介質(zhì)1和介質(zhì)2的磁感應(yīng)強(qiáng)度法向分量、切向分量和磁導(dǎo)率。

通過(guò)公式（1）與公式（2）可知，電磁力F∝B2∝I2，電磁力變化基頻為兩倍的電流基頻，即100Hz。

2.2 變壓器磁致伸縮振動(dòng)機(jī)理

鐵磁材料普遍存在磁致伸縮效應(yīng)，它是鐵磁材料在磁化過(guò)程中晶格發(fā)生形變的宏觀響應(yīng)，是一種磁力耦合現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)導(dǎo)致的變形量只有微米級(jí)，但對(duì)于變壓器的振動(dòng)影響遠(yuǎn)大于線圈與鐵芯之間的電磁力，是造成變壓器本體振動(dòng)的主要原因。磁致伸縮的本構(gòu)方程[8-9]見(jiàn)式（3）所示：

式中：εme為磁致伸縮應(yīng)變；λs為飽和磁致伸縮變形率；MS為飽和磁化強(qiáng)度；M為磁化強(qiáng)度。

通過(guò)磁化模型計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度M，見(jiàn)式（4）所示：

式中：Heあ為有效磁場(chǎng)強(qiáng)度，L為朗之萬(wàn)方程，χm為初始磁化率，μ0為真空磁導(dǎo)率，Sed為偏應(yīng)力張量，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

3 微波爐振動(dòng)噪音傳遞路徑分析

針對(duì)微波爐振動(dòng)噪音改善時(shí)，首先要確定噪音源在各傳遞路徑對(duì)整機(jī)噪音的貢獻(xiàn)量。通常情況下，變壓器電磁激勵(lì)噪音與變壓器振動(dòng)噪音是耦合的，需要通過(guò)設(shè)置隔離或斷開(kāi)試驗(yàn)確定各條路徑上的振動(dòng)噪音貢獻(xiàn)量。根據(jù)變壓器電磁振動(dòng)噪音產(chǎn)生機(jī)理，可以將傳遞路徑分為如圖1所示的五條主要路徑。

以某型號(hào)微波爐為例，通過(guò)采用隔離、斷開(kāi)、更換材料導(dǎo)磁特性等方式，評(píng)估各路徑對(duì)整機(jī)振動(dòng)噪音貢獻(xiàn)量，如表1所示。采用國(guó)標(biāo)GB/T 4214.1-2017《家用和類似用途電器噪聲測(cè)試方法》測(cè)試微波爐噪音聲功率。

隨著家電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的緊湊化和小型化設(shè)計(jì)趨勢(shì)，由變壓器電磁激勵(lì)引起路徑1與路徑2上的振動(dòng)傳遞對(duì)整機(jī)的振動(dòng)噪音貢獻(xiàn)量最大；而由變壓器磁致伸縮振動(dòng)在路徑4上的傳遞對(duì)整機(jī)影響次之。因此在微波爐產(chǎn)品新品開(kāi)發(fā)階段，優(yōu)先考慮降低路徑1與路徑2上的振動(dòng)傳遞影響，確保達(dá)成微波爐整機(jī)降噪設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖1 微波爐電磁振動(dòng)噪音傳遞路徑

表1 不同路徑振動(dòng)傳遞對(duì)微波爐整機(jī)振動(dòng)噪音貢獻(xiàn)量

4 微波爐電磁振動(dòng)噪聲控制

變壓器作為微波爐電磁振動(dòng)噪聲的主要聲源，其自身并不直接產(chǎn)生噪音，而是主要通過(guò)電磁場(chǎng)與自身振動(dòng)影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)生噪音。因此微波爐振動(dòng)噪聲控制，應(yīng)遵循激勵(lì)源（變壓器）→路徑（空氣漏磁磁場(chǎng)和變壓安裝結(jié)構(gòu)）→振動(dòng)響應(yīng)（鈑金結(jié)構(gòu)）的降噪思路進(jìn)項(xiàng)噪聲控制設(shè)計(jì)。

圖2 相等距離下，變壓器與結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)分布

圖3 側(cè)板結(jié)構(gòu)所受的電磁力

4.1 變壓器電磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由變壓器產(chǎn)生的電磁振動(dòng)機(jī)理可知，變壓器對(duì)微波爐結(jié)構(gòu)的電磁激勵(lì)力決定變壓器在空氣中的漏磁磁場(chǎng)強(qiáng)度。因此，變壓器電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)為降低變壓器在空氣中的漏磁磁場(chǎng)，而空氣中的漏磁磁場(chǎng)強(qiáng)度又取決于變壓器鐵芯的磁飽和強(qiáng)度與漏磁疊片內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

4.1.1 合理設(shè)計(jì)變壓器工作磁密

合理設(shè)計(jì)變壓器工作時(shí)鐵芯的最大飽和磁通密度，較低的工作磁密能夠有效降低變壓器本體的磁致伸縮振動(dòng)，并降低變壓器在空氣中的漏磁磁場(chǎng)強(qiáng)度?？刹捎迷龃蠊桎撈叽缗c體積、選用磁飽和強(qiáng)度更高的硅鋼片型號(hào)、優(yōu)化硅鋼片形狀、變壓器與微波爐功率匹配性方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。據(jù)相關(guān)研究證明[1]：變壓器工作飽和磁密由2.0T降至1.9T時(shí)，微波爐側(cè)板與內(nèi)腔結(jié)構(gòu)電磁振動(dòng)顯著降低，其整機(jī)振動(dòng)噪音降低3dB(A)。

4.1.2 優(yōu)化漏磁支路的分流效果

優(yōu)化漏磁支路的電磁場(chǎng)分布提升漏磁支路的分流作用亦能夠有效降低變壓器漏磁磁場(chǎng)在空氣中的分布。其主要手段與優(yōu)化變壓器鐵芯內(nèi)磁場(chǎng)分布的方法相同，即增大漏磁支路對(duì)主磁路的分流作用。

4.2 電磁激勵(lì)與振動(dòng)傳遞優(yōu)化

微波爐電磁振動(dòng)噪音傳遞路徑上控制可從降低結(jié)構(gòu)位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度、優(yōu)化變壓器與結(jié)構(gòu)之間隔振效率兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

4.2.1 改變結(jié)構(gòu)位置處電磁場(chǎng)強(qiáng)度

微波爐鈑金結(jié)構(gòu)所受的電磁力主要由結(jié)構(gòu)所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度決定。通過(guò)改變結(jié)構(gòu)位置處的磁場(chǎng)分布，即可實(shí)現(xiàn)降低電磁激勵(lì)的目的。常用控制方法有：

（1）增大變壓器與結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)距離。有研究表明：隨著變壓器與結(jié)構(gòu)之間的距離越大，電磁激勵(lì)引起的振動(dòng)越小，且振動(dòng)降低的梯度逐漸降低，存在較優(yōu)的距離選擇點(diǎn)。

（2）隔磁板或隔磁罩。在變壓器與結(jié)構(gòu)之間設(shè)置由導(dǎo)磁性材料構(gòu)成的隔磁板，通過(guò)吸收漏磁磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)降低微波爐鈑金結(jié)構(gòu)所受的電磁力大小。通過(guò)理論與仿真計(jì)算證明：隔磁板距離變壓器越遠(yuǎn)、離結(jié)構(gòu)越近的情況下，隔磁效果越好[1]。然而實(shí)際應(yīng)用中，隔磁板本身在交變磁場(chǎng)的作用下也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲問(wèn)題，通常情況下，需配合阻尼材料使用，來(lái)達(dá)到較為理想的降噪效果。

表2 某型微波爐電磁振動(dòng)噪聲控制方案設(shè)計(jì)

（3）改變變壓器與鈑金結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位置。利用漏感變壓器周圍電磁場(chǎng)分布不對(duì)稱性，改變結(jié)構(gòu)與變壓器之間的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)增大變壓器與結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)距離。仿真計(jì)算表明：在變壓器四個(gè)方向相等距離處，布置相同的鈑金結(jié)構(gòu)，其受到的電磁力為：兩側(cè)電磁力≥初級(jí)線圈側(cè)電磁力≥次級(jí)線圈側(cè)電磁力，見(jiàn)圖2、圖3所示；通過(guò)改變變壓器相對(duì)位置方向，改變鈑金結(jié)構(gòu)所受電磁力分布，從而降低鈑金結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪音輻射。

4.2.2 振動(dòng)傳遞優(yōu)化

結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞主要發(fā)生在變壓器自身磁致伸縮振動(dòng)通過(guò)安裝結(jié)構(gòu)傳遞，以及鈑金結(jié)構(gòu)之間的振動(dòng)傳遞。通常情況下，變壓器通過(guò)螺絲直接固定在微波爐底板上，導(dǎo)致變壓器自身的磁致伸縮振動(dòng)與變壓器對(duì)底板的電磁激勵(lì)振動(dòng)相互耦合。因此，優(yōu)先考慮在變壓器與底板之間進(jìn)行隔振優(yōu)化設(shè)計(jì)；而鈑金結(jié)構(gòu)之間的振動(dòng)傳遞次之。

4.3 鈑金結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)優(yōu)化

從公式（1）、（2）可知，變壓器對(duì)微波爐鈑金結(jié)構(gòu)的電磁力頻率主要為100Hz及其倍頻。因此，降低微波爐鈑金結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，首先應(yīng)避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)固有頻率盡量遠(yuǎn)離電磁力頻率。其次，改善鈑金結(jié)構(gòu)的阻尼特性，即增加阻尼層。阻尼層位置優(yōu)選變壓器向側(cè)板的投影位置，最大化降低電磁力對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響。最后，更改結(jié)構(gòu)導(dǎo)磁特性，鈑金結(jié)構(gòu)采用弱導(dǎo)磁性材料或非導(dǎo)磁材料代替，例如不銹鋼、塑料等。

4.4 微波爐電磁振動(dòng)噪聲控制驗(yàn)證

采用上述噪聲控制思路與方法，針對(duì)某型普通微波爐產(chǎn)品開(kāi)展噪聲控制設(shè)計(jì)。首先，考慮變壓器的漏磁磁場(chǎng)分布，采用變壓器垂直90度方案（即圖2所示，變壓器水平放置改為垂直放置）增大變壓器與側(cè)板和內(nèi)腔之間的距離，同時(shí)改善側(cè)板所受的電磁力大小，整機(jī)降噪效果4dB；其次，優(yōu)化變壓器與外罩和內(nèi)腔之間的相對(duì)距離，整機(jī)降噪效果1dB；再次，改善鈑金結(jié)構(gòu)與阻尼分布，降低振動(dòng)響應(yīng)，其整機(jī)改善效果可降低3dB左右；最后，考慮變壓器自身振動(dòng)對(duì)底板與整機(jī)振動(dòng)噪聲影響，采用工字隔振方式，能夠有效降低整機(jī)噪音1dB左右。見(jiàn)表2所示。（本文所述數(shù)據(jù)均根據(jù)國(guó)標(biāo)方法實(shí)測(cè)后獲得）。

5 結(jié)論

微波爐的電磁振動(dòng)噪聲控制屬于系統(tǒng)研究性問(wèn)題，其牽涉變壓器、磁控管、結(jié)構(gòu)三者之間系統(tǒng)匹配性問(wèn)題。本文著重于變壓器所引起的電磁振動(dòng)噪聲機(jī)理與控制方法研究。從變壓器優(yōu)化、電磁振動(dòng)傳遞路徑、結(jié)構(gòu)響應(yīng)優(yōu)化三個(gè)方面闡述微波爐電磁振動(dòng)噪聲控制方法，該理論與方法在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了顯著成效，能夠?yàn)槲⒉t產(chǎn)品的靜音設(shè)計(jì)工作提供建議與指導(dǎo)。