家用空調(diào)新風(fēng)模塊異常噪音診斷及解決分析

余杰彬，吳俊鴻，單聯(lián)瑜，李樹云，彭光前

（北京小米移動軟件有限公司，武漢，430000）

隨著人們對生活品質(zhì)要求的提高，新風(fēng)空調(diào)越來越受歡迎，尤其是家用壁掛新風(fēng)空調(diào)。對于家用壁掛新風(fēng)空調(diào)來說，由于整機(jī)空間受到限制，其新風(fēng)模塊體積較小，為了滿足室內(nèi)新風(fēng)量的要求，通常新風(fēng)電機(jī)采用較高轉(zhuǎn)速，電機(jī)高轉(zhuǎn)速同時帶來了電機(jī)噪音和振動的問題。家用空調(diào)新風(fēng)模塊主要噪音問題有：共振噪音、電磁噪音等部分。

Julian Blum等［1］通過對磁環(huán)著磁方案研究，確定斜著磁方案具有較好的降低電磁噪音的效果。唐麗佳等［2］對電機(jī)的電磁噪音進(jìn)行了深入研究，提出降低電機(jī)電磁噪音的方法有：控制轉(zhuǎn)子的偏心度、增大氣隙、降低電機(jī)表面振動（調(diào)整鐵心及基座結(jié)構(gòu)）、采用減磁材料等方案，并應(yīng)用到實際產(chǎn)品中，取得了較好的效果。

本文針對家用空調(diào)新風(fēng)模塊產(chǎn)生的共振噪音和電磁噪音兩種異常噪音問題進(jìn)行理論分析，根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理提出解決方案，通過實施案例驗證解決方案的有效性。

1 新風(fēng)模塊異常噪音產(chǎn)生機(jī)理分析

家用新風(fēng)空調(diào)新風(fēng)模塊主要存在的噪音問題可以歸納如下：結(jié)構(gòu)共振噪音和電磁噪音，各部分噪音詳細(xì)產(chǎn)生機(jī)理如下：

1.1 共振音產(chǎn)生機(jī)理

新風(fēng)空調(diào)新風(fēng)模塊的共振音是新風(fēng)電機(jī)的激勵頻率與新風(fēng)風(fēng)葉的固有頻率或新風(fēng)部件的殼體重合或接近時，會發(fā)生共振。新風(fēng)電機(jī)的激勵頻率可用如下公式計算：

式中，

fr為電機(jī)的激勵頻率（Hz）；

n為電機(jī)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/min）；

r激勵基頻的倍頻數(shù)。

將新風(fēng)風(fēng)葉與電機(jī)的安裝系統(tǒng)簡化為單自由度無阻尼振動系統(tǒng)想，如圖1所示，建立單自由度線性系統(tǒng)振動微分方程，在不考慮阻的情況下，其自由振動微分方程為

圖1 單自由度系統(tǒng)簡化模型

可得到系統(tǒng)的固有頻率為

式中

fn為系統(tǒng)固有頻率（Hz）

k為系統(tǒng)的等效剛度（N/m）

m為系統(tǒng)的等效質(zhì)量（kg）

當(dāng)系統(tǒng)的激勵頻率fr與系統(tǒng)固有頻率fn接近時，系統(tǒng)就會發(fā)生共振，因此在系統(tǒng)設(shè)計時，通常需要避開激勵頻率和系統(tǒng)固有頻率避開，避免系統(tǒng)發(fā)生共振［3］。

1.2 電磁音產(chǎn)生機(jī)理

電磁噪音來源于電磁振動，電磁振動是由電機(jī)的氣隙磁場作用于鐵心產(chǎn)生的激振力所導(dǎo)致［4］。如圖2所示，為外轉(zhuǎn)子電機(jī)的結(jié)果分解圖，電機(jī)的氣隙磁場由定子、轉(zhuǎn)子繞組磁勢和氣隙決定。在氣隙磁密波的作用下，在定子鐵心齒上產(chǎn)生徑向和切向兩個分量，徑向分量使鐵心產(chǎn)生了振動變形，是導(dǎo)致電磁噪音的主要原因。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)分解圖

2 異常噪音優(yōu)化方案分析

根據(jù)新風(fēng)空調(diào)新風(fēng)模塊異常噪音產(chǎn)生的機(jī)理，針對不同類型噪音，制定對應(yīng)解決方案，實現(xiàn)整機(jī)聲品質(zhì)提高。

2.1 共振音優(yōu)化方案

新風(fēng)電機(jī)在運(yùn)行轉(zhuǎn)速1400轉(zhuǎn)，新風(fēng)模塊出現(xiàn)304 Hz噪音，經(jīng)頻譜分析，為電機(jī)旋轉(zhuǎn)基頻的13倍頻，同時核實新風(fēng)模塊離心風(fēng)葉存在320 Hz附近固頻，電機(jī)使用轉(zhuǎn)速激勵頻率和風(fēng)葉固頻接近導(dǎo)致。

優(yōu)化方案：對離心風(fēng)葉輪轂優(yōu)化，通過將風(fēng)葉輪轂厚度由原來的1 mm，優(yōu)化到5 mm（如圖3所示），提高整個風(fēng)葉剛度，避開常用轉(zhuǎn)速下的電機(jī)激勵。對比優(yōu)化前后，由風(fēng)葉導(dǎo)致的振型頻率由320 Hz提高到394 Hz，避開工作轉(zhuǎn)速下的電機(jī)激勵。

圖3 風(fēng)葉優(yōu)化前后模型對比

圖4 風(fēng)葉優(yōu)化前后模型對比

2.2 電磁音優(yōu)化方案

根據(jù)電磁噪音產(chǎn)生的機(jī)理，分別從減小電磁激振力和增加電機(jī)定、轉(zhuǎn)子剛度等維度進(jìn)行對電機(jī)優(yōu)化。

優(yōu)化方向一：磁環(huán)斜著磁優(yōu)化，通過磁環(huán)采用斜著磁方案，減小轉(zhuǎn)子對定子徑向力，優(yōu)化前后磁環(huán)結(jié)構(gòu)對比如圖5所示。

圖5 磁環(huán)優(yōu)化前后著磁方案對比

優(yōu)化方向二：通過鐵芯疊高數(shù)及齒厚度，來提高電機(jī)的整體剛度，降低殼體振動變形，減小振動輻射。通過齒形、內(nèi)圈厚度及齒槽寬度，減小定子和轉(zhuǎn)子之間的相互作用力，減小電磁噪音。

鐵芯優(yōu)化各方案對比維度如表1所示，優(yōu)化前后鐵芯振動幅值響應(yīng)對比如圖6所示，最優(yōu)方案3相對于原方案1，在1350 Hz處電磁力導(dǎo)致的振動幅值降低35 %左右。

表1 鐵芯優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖6 不同方案電機(jī)鐵芯的振動幅值

3 優(yōu)化方案驗證

3.1 異常問題總結(jié)

該家用空調(diào)新風(fēng)模塊主要存在以下典型噪音問題：

1）工作轉(zhuǎn)速1400轉(zhuǎn)附近產(chǎn)生304 Hz附近噪音峰值，主要是由于電機(jī)激勵頻率激發(fā)了風(fēng)葉自身固有頻率導(dǎo)致；

2）工作轉(zhuǎn)速2700轉(zhuǎn)以上，存在明顯電磁噪音，峰頻為1350 Hz，由于電機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子對定子的作用力導(dǎo)致。

3.2 優(yōu)化方案驗證

1）共振音優(yōu)化驗證：通過增加風(fēng)葉輪轂厚度提高風(fēng)葉整體剛度，將風(fēng)葉固頻提高到394 Hz，避開304 Hz的激勵頻率，優(yōu)化前后對比頻譜如圖7所示，304 Hz噪音峰值降低10 dB(A)以上；

圖7 風(fēng)葉優(yōu)化前后噪音頻譜對比

2）電磁噪音優(yōu)化驗證：通過電機(jī)鐵芯結(jié)構(gòu)尺寸、磁環(huán)著磁方式優(yōu)化，減小轉(zhuǎn)子對定子的徑向力，實現(xiàn)對電磁噪音的改善。優(yōu)化前后對比頻譜如圖8所示，1350 Hz噪音峰值降低20 dB(A)以上。

圖8 電機(jī)優(yōu)化前后噪音頻譜對比

4 結(jié)論

本文對家用空調(diào)新風(fēng)模塊產(chǎn)生的異常噪音機(jī)理進(jìn)行分析，提出解決方案，并對解決方案進(jìn)行試驗驗證，驗證結(jié)果表明實施方案有效，整體音質(zhì)得到明顯改善，主要結(jié)論如下：

1）由風(fēng)葉固頻導(dǎo)致的電機(jī)共振聲，可通過對風(fēng)葉輪轂進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后噪音峰值降低 10 dB(A)以上，優(yōu)化效果較為明顯；

2）電磁噪音是由轉(zhuǎn)子地定子的徑向作用力導(dǎo)致，通過磁環(huán)和電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，該部分電磁噪音峰值可降低20 dB(A)以上，優(yōu)化后該轉(zhuǎn)速段噪音品質(zhì)得到明顯改善。