滾筒洗衣機用開關磁阻電機減振降噪方法的研究

孫榮美，牛家濤，姜紅霞

（山東小鴨集團，山東 濟南 250100）

0 引言

在19世紀50年代開關磁阻電機的基本結構與原理才被提出，而開關磁阻電機的問世卻要追溯到20世紀80年代大功率的晶閘管的投入使用。在投入使用時，由于開關磁阻電機的價格較低、魯棒性好、結構簡單等一系列優(yōu)點，使得開關磁阻電機在電器行業(yè)熱度的趨勢逐年上升，并引起了各國的重視，加強了對開關磁阻電機實際的應用與研究。在現(xiàn)代滾筒洗衣機的開關磁阻電機的應用中，如何對開關磁阻電機降震減噪問題的解決迫在眉睫，因為它的轉矩脈動和噪聲問題嚴重阻礙了滾筒洗衣機更長遠的發(fā)展。

1 探究開關磁阻電機應用當中存在的主要問題

研究表明，在滾筒洗衣機的開關磁阻電機實際應用當中，震動和噪聲的主要原因在于SRM的非線性強磁場和雙凸極結構。而在非線性強磁場中，徑向力引起的定轉子徑向振動是噪聲的主要來源[1]。因此，減小定轉子徑向振動也是減小噪聲的主要方法。轉矩脈動若想減小，相應的控制技術則應該放寬運行范圍。其中電流的分配控制器和電流的波形計算的離線和在線是主要的控制方法。這其中涉及到了直接瞬間轉矩控制（DITC，direct instantaneous torque control，中文）的電流閉環(huán)控制被轉矩閉環(huán)控制取代使用。因此，如何將這兩種方法同時運用到開關磁阻電機的減震降噪當中使我們接下來要討論問題的重點。

2 關于滾筒洗衣機用開關磁阻電機減噪降震當中存在問題的解決方法

在我國目前有關滾筒洗衣機開關磁阻電機的降噪減震的技術當中，主要有宏觀物理降噪減震和電動機結構內部優(yōu)化改良減振降噪兩個方面[2]。在宏觀物理的降噪減震方法大致有降低空氣動力噪聲、增加定轉子的硬度、增加阻尼系數(shù)、利用彈簧減震等措施。在電動機內部結構上的優(yōu)化改良的降震減噪方法主要有降低減少轉矩脈動，而降低減少轉矩脈動的方法主要途徑有：角度位置控制、電流斬波控制、兩步和三步換相法、變角度斬波控制、逐步將壓閥、直接瞬時轉矩控制、結構變相控制和迭代學習控制等技術控制性手法。接下來我們著重從滾筒洗衣機用開關磁阻電機的轉矩脈動減小上討論降震減噪的問題[3]。而轉矩脈動的減小則要從定轉子的結構和電動機相數(shù)結構等以下幾方面來進行討論。

2.1 定轉子結構

在開關磁阻電機中，電機的相數(shù)一定，對于降震減噪是否有利的條件在于電轉子的極數(shù)的多少。在上面我們提到過噪聲的主要來源是定轉子徑向振動，降低定轉子徑向振動波的振動頻率是降低噪音的根源性措施。在這其中，影響定轉子的徑向力主要有轉速、開通角、關斷角、定轉子所占空間比和斬波頻率等等主要因素[4]。而定轉子徑向振動波對定轉子機座和鐵心的作用使定轉子鐵心和機座隨著時間的變化發(fā)生徑向變形，從而使周圍的空氣脈流壓縮引起氣載噪聲。這里有一個徑向力振動波和定子鐵心徑向變形的定量關系，即定子鐵心徑向變形量跟徑向力振動波波力幅值成正比，與徑向力振動波階數(shù)n的4次方成反比，而電機的徑向振動振型由徑向力振動波階數(shù)n確定。解釋意義為徑向振動波越低鐵心的變形程度越大，致使鐵心的相鄰兩支點的距離越遠，鐵心硬度隨著支點距離的變遠，它的徑向變形越大。

2.2 開關磁阻電機的相數(shù)結構

在大多數(shù)電機的結構參數(shù)中，相數(shù)是電機參數(shù)中最重要的一個參數(shù)之一，它不僅決定了電機的成本和性能，它更決定了電機的運轉結構，而且有效合理的對開關磁阻電機配適相應的相數(shù)能夠有效的對噪聲的降低和徑向振動產(chǎn)生有利的影響。目前在電機的相數(shù)選擇上主要有三相和四相兩種相數(shù)，下面我們對這兩種相數(shù)結構對電機的繞組連接所產(chǎn)生的影響做一個簡要分析。

在三相開關磁阻電機當中繞組連接極性的分布主要為NSNSNS的連接形式，這種形式的繞組連接對三相開關磁阻電機有利于對電機噪聲的降低。因為在像NNNSSS此種繞組連接的接法中存在著磁路、電流波形和大小都不一直的現(xiàn)象[5]。而NSNSNS的繞組連接方式中的磁路和電流波形都有一致性，因此可以降低噪聲。

在四相開關磁阻電機當中繞組連接有正串接法和反串聯(lián)接法，在正串接法中的極性連接方式為NNNNSSSS或者NSNNSNSS在這兩種正串接法中，由于磁路市場會發(fā)生短磁路和磁路相互交替的情況，因此在這兩種極性連接方式下的開關磁路電機的噪聲會比較大，因此在改良后我們現(xiàn)在常用在四相開關磁路電機上的極性連接方式為NSNSNSNS,此種極性連接方式中磁路具有一致性，不會有之前兩種極性連接所出現(xiàn)的短磁路和磁路相互交替的情況，因此噪聲可以降低。

以上就是對開關磁阻電機中的關于不同相數(shù)電機所用到的繞組連接對三相和四相電機所產(chǎn)生的影響和最佳繞組的配適。

2.3 繞組連接方式與散熱筋結構的組合

在開關電磁阻機中磁拉力是電機定子振動的驅動力，磁拉力所致的定子振動頻率與電機的轉速成正比。因此可以通過提高電機的定子的驅動力和定子振動的頻率來進一步提高電機定子的轉速，從而使轉速中引起的共振頻率降低，進而降低開關詞組點的噪聲[6]。但是在電機定轉子的轉速提升上去以后，定子的溫度也會隨之上去，因此得給定子配上相應的散熱措施，而散熱筋結構對不同繞組連接的電機定轉子頻率有著不同的影響，主要有以下幾點：①傳統(tǒng)軸向散熱筋結構對定子徑向性振動波的低階數(shù)固有頻率的作用不大，但是對高階數(shù)固有振動頻率有降低作用。②在進行模態(tài)分析時應該考慮到散熱筋結構對定子振動系統(tǒng)高階數(shù)固有頻率表的精度計算有較大影響。③周向散熱筋結構和傳統(tǒng)的周向散熱筋相對比之下，對低階數(shù)固有頻率的提高效果一般，而對高階數(shù)固有頻率的提高效果非常顯著。④在提高固有頻率中，繞組加固工藝對高階數(shù)的固有頻率的作用很小，而對低階數(shù)的固有頻率的作用較大[7]。因此，綜合以上四點，要想對振動系統(tǒng)各階的固有頻率都有提高作用，那么就應該同時采用周向散熱筋結構和繞組加固工藝。

3 綜合控制策略應對滾筒洗衣機用開關磁阻電機降震減噪的改良方法

在滾筒洗衣機用開關磁阻電機的降震減噪方法中，應當綜合定轉子結構的改良、開關磁阻電機的相數(shù)以及繞組極性連接、繞組連接方式與散熱筋結構的相結合這幾種從開關磁阻電機內部結構進行改良以達到降震減噪效果的方式，充分利用可以改良的電機部位，為滾筒洗衣機應用的開關磁阻電機的良好發(fā)展做最基礎的結構奠定[8]。通過這幾個部位結構的改良，實現(xiàn)降低開關電磁阻電機內部的空氣的壓縮、繞組加固工藝對固有頻率的提高、電機定子的轉速提高、提高繞組極性連接磁路一致性等這幾點明顯的改善，從而提高滾筒洗衣機用開關磁阻電機的降噪減震措施。

除了以上幾點內部結構的改良措施之外，加強對滾筒洗衣機的自身外周條件和開關電磁阻機組成的硬件條件部分的的改變也是對開關磁阻電機所產(chǎn)生的噪聲有著明顯的改善效果。例如，降低空氣動力噪聲（增加滾筒洗衣機中滾筒的排風口）、增加定轉子的硬度（從根源上加大滾筒洗衣機滾筒的穩(wěn)定性）、增加阻尼系數(shù)（對滾筒洗衣機的突然性軟啟動有緩沖功能）、利用彈簧減震等措施[9]。

在電機的尺寸選擇中，對開關磁阻電機的震動和噪聲的影響也是極大的。主要因為電機的噪聲測量一般與表面相距不遠，屬于近場測量。而電機產(chǎn)生的聲波近似為柱面波，無窮大平面聲波乘以相對應的聲強系數(shù)即可測量出該電機的聲強。據(jù)研究表明，長度長、直徑小的電機相比較于長度短、直徑大的電機聲強系數(shù)要大，噪聲輻射效率較高，因此，在滾筒洗衣機用開關磁阻電機的降噪減震方法上面可以盡量選擇相對滾筒洗衣機自身體積容量較大的電機，這樣對電機的降震減噪也有著明顯的實用性效果[10]。

4 結論

在我國滾筒洗衣機用開關磁阻電機的噪聲來源方面，最大的原因是由于徑向力引起的定轉子徑向振動，往下便是轉子的轉矩脈動較大引起的直接瞬時轉矩控制的頻率較大。通過控制好空氣共振頻率，從而降低滾筒洗衣機用開關磁阻電機的噪聲問題，因而對我國滾筒洗衣機的電機降噪減震技術起到了關鍵性的一步。