交流異步電動(dòng)機(jī)電磁噪音的分析及控制

司扣華 徐大業(yè) 許文蘭 曾文志 李 慶

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519100）

引言

噪音會(huì)干擾人們的談話(huà)，降低人的思維能力，使人疲勞，并影響睡眠、休息和工作。長(zhǎng)期生活在噪聲大的環(huán)境中，不僅可使耳朵有痛感，還使人的聽(tīng)覺(jué)受到損害，甚至?xí)l(fā)生昏厥和引起神經(jīng)系統(tǒng)疾病。在家用電器中，電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，電機(jī)振動(dòng)和噪聲控制顯得越來(lái)越重要。在交流電機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，電磁噪音控制被列入重點(diǎn)管控對(duì)象，如何快速有效的規(guī)避可能存在的噪音，對(duì)電機(jī)開(kāi)發(fā)尤為重要。因此，本文結(jié)合工作中遇到的難題對(duì)電磁噪音進(jìn)行分析，為大家提供一些開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)和經(jīng)驗(yàn)。

1 電磁噪聲的產(chǎn)生及分類(lèi)

電機(jī)中，主磁通大致上沿徑向進(jìn)入氣隙，電磁力作用在定、轉(zhuǎn)子間的氣隙中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波或脈動(dòng)力波，從而引起電磁振動(dòng)和噪音，這類(lèi)噪音被稱(chēng)為電磁噪音[1]。而電磁噪音在空調(diào)器上由電機(jī)作為激振源的主要有三種：電源倍頻噪音、齒諧波噪音、滑差噪音。

交流異步電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，定、轉(zhuǎn)子會(huì)存在以電源頻率f0基頻整倍數(shù)的頻率周期性徑向磁力波作用（f0為電源頻率，n為力波次數(shù)，一般取1～5，常見(jiàn)取2或4），一般kf0力波激振作用幅值大，往外輻射明顯，會(huì)產(chǎn)生較大幅值的力波并往外輻射，特別當(dāng)電機(jī)偏心（轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)與定子軸線(xiàn)偏離）或轉(zhuǎn)軸受迫振動(dòng)或變彎時(shí)，此力波作用會(huì)更加激烈，由此而產(chǎn)生的噪音為電源倍頻噪音。

齒諧波噪音主要是由于電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)子電流，轉(zhuǎn)子電流在轉(zhuǎn)子斜槽上產(chǎn)生額外諧波電流，該電流產(chǎn)生附加磁場(chǎng)隨電機(jī)周期性轉(zhuǎn)動(dòng)作用的結(jié)果。

異步電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速比同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)落后，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到磁密大的地方時(shí)，定、轉(zhuǎn)子會(huì)受一個(gè)頻率為ksf0的力波作用，一般ksf0力波往外輻射效率低，但當(dāng)轉(zhuǎn)差率較小時(shí)，該力波時(shí)域上分布在kf0兩邊疊加作用產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，這樣會(huì)產(chǎn)生較大幅值的力波并往外輻射，從而產(chǎn)生滑差噪音。

2 噪音分析

2.1 電源倍頻噪音

該類(lèi)噪音在生產(chǎn)線(xiàn)及售后時(shí)有發(fā)生，是一直困擾生產(chǎn)的老大難質(zhì)量問(wèn)題，主要存在于柜機(jī)室內(nèi)機(jī)、風(fēng)管機(jī)和窗機(jī)，柜機(jī)室內(nèi)機(jī)一般多數(shù)頻譜反映是100 Hz（50 Hz電源）和120 Hz（60 Hz電源）峰值噪音，窗機(jī)一般反映的是200 Hz或240 Hz峰值噪音。影響電源倍頻噪音的因素有以下幾點(diǎn)：

2.1.1 風(fēng)葉剛度影響

一般情況下因鐵芯剛性大，電機(jī)本身振動(dòng)產(chǎn)生的噪音能量低，因此不會(huì)直接輻射產(chǎn)生噪音，但對(duì)于窗機(jī)系列，離心風(fēng)葉剛度會(huì)對(duì)窗機(jī)共振放大產(chǎn)生影響。因離心風(fēng)葉高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)葉片發(fā)生連續(xù)彈性變形，這樣其動(dòng)態(tài)下固有頻率會(huì)變化。葉片除圓周切線(xiàn)方向受力外，離心方向同樣存在徑向受力，該徑向力反作用于轉(zhuǎn)軸與電機(jī)磁力波形成共振。

比如，某款用于5匹柜機(jī)室外機(jī)在生產(chǎn)線(xiàn)上存在大比例異響，通過(guò)多種方案調(diào)整均無(wú)法解決該問(wèn)題。后通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)同一批次的風(fēng)葉對(duì)噪音影響有差異，因此通過(guò)調(diào)整風(fēng)葉玻纖含量，由20 %下調(diào)到15 %，問(wèn)題得到解決。

因此，調(diào)整離心風(fēng)葉剛度（玻纖含量）是解決倍頻電磁噪音的有效方法之一。

2.1.2 電機(jī)使用的電源影響

有些倍頻噪音與電機(jī)本身無(wú)太大關(guān)系，是由于電源正弦波形不平滑引起。比如我司有一款盤(pán)管機(jī)，雙機(jī)配套使用，在加調(diào)速板測(cè)試的情況下存在300 Hz倍頻噪音（如圖1）。

用示波器觀察發(fā)現(xiàn)由調(diào)速板所輸波形不及電源未經(jīng)變頻前的波形光滑，而在去掉調(diào)速板之后，對(duì)電機(jī)直接通電，通過(guò)調(diào)整電源電壓的方式來(lái)進(jìn)行調(diào)速，此時(shí)再次測(cè)試整機(jī)噪音，300 Hz峰值噪音消除（如圖2）。

因此，電源輸出不平滑，受到干擾的情況下，也會(huì)產(chǎn)生倍頻噪音。

2.1.3 減震機(jī)構(gòu)（膠圈）硬度影響

因減振膠圈硬度過(guò)硬，振動(dòng)傳遞效率增大，電磁脈動(dòng)還是會(huì)經(jīng)減振膠圈傳遞到整機(jī)而放大噪音，過(guò)軟則把膠圈完全壓變形，膠圈沒(méi)有彈性的情況下，振動(dòng)傳遞效率同樣過(guò)高，引起噪音偏大。

比如，我司收到售后投訴消費(fèi)者使用客戶(hù)柜機(jī)有令人頭暈噪音，經(jīng)確診是100 Hz低頻“嗡嗡”音（如圖3），現(xiàn)場(chǎng)采取各種方式對(duì)整機(jī)及電機(jī)進(jìn)行處理，噪音問(wèn)題均未能解決。

圖1 加調(diào)速板測(cè)試噪音頻譜

圖2 不加調(diào)速板測(cè)試噪音頻譜

后更換電機(jī)膠圈硬度，由60度降為53度，整機(jī)噪音得以消除（如圖4）。

因此，合理設(shè)計(jì)膠圈硬度對(duì)有減震結(jié)構(gòu)的電機(jī)有很好的降噪作用。

2.1.4 負(fù)載整機(jī)后板或隔板強(qiáng)度影響

低頻倍頻噪音往往與整機(jī)相關(guān)安裝板的機(jī)械強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)安裝板的板材厚時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度大，電機(jī)電磁脈動(dòng)往往不足以引起共振，不會(huì)產(chǎn)生噪音。反之則會(huì)引起整機(jī)共振，產(chǎn)生整機(jī)噪音，此情況往往可考慮改變固有頻率降低或消除共振點(diǎn)。

比如，前期我司供貨的某窗機(jī)，在制熱過(guò)程中出現(xiàn)240 Hz倍頻噪音，通過(guò)調(diào)整電磁方案及減震結(jié)構(gòu)均無(wú)法消除此噪音，更改電機(jī)安裝腳厚度后，噪音問(wèn)題得以解決。

因此，改變整機(jī)固有頻率可降低或消除共振點(diǎn)，消除該類(lèi)噪音。

2.2 齒諧波噪音

2.2.1 齒諧波噪音的成因

齒諧波噪音中，轉(zhuǎn)子齒諧波噪音和定、轉(zhuǎn)子相互作用齒諧波磁場(chǎng)噪音和激振源頻率符合以下公式：

式中：

K—音階或力波次數(shù)，在齒諧波中可取±1、±2、±3，其余取1、2、3；

f0—電源頻率；

Z2—電機(jī)轉(zhuǎn)子槽數(shù)；

s—轉(zhuǎn)差率，s=(N-n)/N，N為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速；

n—電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；

P—電機(jī)極對(duì)數(shù)。

電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子變形，定子鐵芯與端蓋偏心，定、轉(zhuǎn)子之間偏心或槽配合不合理（一般S1-S2=±1，±2，±(p±1)，±(p±2) 時(shí)，定、轉(zhuǎn)子相互作用會(huì)產(chǎn)生齒諧波噪音，p為極對(duì)數(shù)，S1、S2為定轉(zhuǎn)子的斜槽數(shù)）。齒諧波噪音的測(cè)試頻率是隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生變化，通常情況下轉(zhuǎn)速升高，頻率會(huì)增大，反之則會(huì)下降。

例如：某款窗機(jī)開(kāi)發(fā)初期使用槽配合為定子24槽、轉(zhuǎn)子26槽，在生產(chǎn)過(guò)程中整機(jī)曾出現(xiàn)齒諧波噪音，如圖5。

圖3 售后投訴低頻噪音頻譜

圖4 降低膠圈硬度后的噪音頻譜

圖5 某窗機(jī)齒諧波噪音圖

實(shí)際測(cè)得電機(jī)中檔轉(zhuǎn)速為974 r/min，P為3，同步轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，而噪音頻率為912 Hz，當(dāng)K取值為1時(shí)，根據(jù)f=|1+K*Z2*(1-S)/P|*2f0，f計(jì)算值為 911 Hz，與實(shí)測(cè)值912 Hz基本吻合（轉(zhuǎn)速測(cè)試時(shí)，測(cè)試手法，測(cè)試方位，測(cè)試時(shí)間均會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速存在一定偏差），因此判定此噪音為齒諧波噪音。

2.2.2 改善措施

對(duì)定、轉(zhuǎn)子槽配合進(jìn)行調(diào)整，將轉(zhuǎn)子槽數(shù)改為34槽，避開(kāi)齒諧波噪音點(diǎn)，復(fù)測(cè)噪音發(fā)現(xiàn)整機(jī)噪音明顯改善，如圖6。

另外，通過(guò)提高電機(jī)端蓋，定、轉(zhuǎn)子加工精度，保證電機(jī)定子鐵芯，定、轉(zhuǎn)子配合精度，增大電機(jī)轉(zhuǎn)子斜槽斜率，改進(jìn)電機(jī)繞組繞線(xiàn)方案，使磁場(chǎng)分布更加均勻，都可以改善齒諧波噪音，但很難完全消除齒諧波噪音。

2.3 滑差噪音

2.3.1 滑差噪音的成因

滑差噪音一般由轉(zhuǎn)差引起，轉(zhuǎn)差在基波磁場(chǎng)上形成諧波，可根據(jù)公式判定：

滑差噪音的測(cè)試頻率是隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生變化，通常情況下轉(zhuǎn)速升高頻率會(huì)增大，反之則會(huì)下降。

早期某窗機(jī)電機(jī)在生產(chǎn)線(xiàn)使用過(guò)程中出現(xiàn)220 Hz，258 Hz噪音，該電機(jī)使用電源是60 Hz，極數(shù)6極，同步轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速1 100 r/min左右，258 Hz、220 Hz峰值的激振源分析是ksf0疊加在kf0上形成諧波力矩作用結(jié)果，符合f=4f0±4 sf0關(guān)系。

例如：

頻譜如圖7。

通過(guò)對(duì)該窗機(jī)進(jìn)行大量分析發(fā)現(xiàn)，噪音為整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)子的磁脈動(dòng)與離心風(fēng)葉共振通過(guò)電機(jī)端蓋傳遞到隔板輻射的結(jié)果，而共振點(diǎn)在風(fēng)葉嵌套與之接合的軸之間。

2.3.2 改善措施

因此針對(duì)以上噪音采取了如下措施：改變嵌套孔及電機(jī)幾何形狀，同時(shí)在軸向改螺母打緊（整改前風(fēng)葉是通過(guò)徑向螺釘與電機(jī)軸固定，接觸面積較小，兩者的間隙較大），這樣一方面改變結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布來(lái)錯(cuò)開(kāi)固有頻率，縮小嵌套與軸間間隙，同時(shí)增加風(fēng)葉嵌套與軸配合機(jī)械強(qiáng)度，降低風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)反振動(dòng)作用，達(dá)到消除噪音的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

電磁噪音的產(chǎn)生不是單因素的，而是多因素的結(jié)果，要保證作為振動(dòng)激勵(lì)源的電機(jī)通電情況下處于低振動(dòng)狀態(tài)，關(guān)鍵在于控制電機(jī)電磁振動(dòng)與削弱機(jī)械振動(dòng)，因此在方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素，減少電磁噪音的出現(xiàn)：

負(fù)載整機(jī)設(shè)計(jì)：

1）合理選擇風(fēng)葉剛度和電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定，避免固頻噪音和倍頻噪音的干涉；

2）合理設(shè)計(jì)整機(jī)減震結(jié)構(gòu)，減少共振噪音的產(chǎn)生；

圖6 改善后頻譜

圖7 滑差噪音

3）整機(jī)和電機(jī)設(shè)計(jì)提前考慮電源諧波干擾，擴(kuò)大產(chǎn)品使用范圍。

電機(jī)設(shè)計(jì)：

1）合理選擇定轉(zhuǎn)子槽數(shù)，避開(kāi)S1-S2=±1，±2，±(p±1)，±(p±2)設(shè)計(jì)；

2）規(guī)范電機(jī)端蓋，定、轉(zhuǎn)子加工精度，保證電機(jī)定子鐵芯，定、轉(zhuǎn)子配合精度；

3）合理選擇減震膠圈硬度和尺寸，降低電源倍頻噪音的產(chǎn)生。