交流異步電動機電磁噪音的分析及控制

司扣華 徐大業 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

噪音會干擾人們的談話，降低人的思維能力，使人疲勞，并影響睡眠、休息和工作。長期生活在噪聲大的環境中，不僅可使耳朵有痛感，還使人的聽覺受到損害，甚至會發生昏厥和引起神經系統疾病。在家用電器中，電機作為驅動元件，電機振動和噪聲控制顯得越來越重要。在交流電機的開發設計中，電磁噪音控制被列入重點管控對象，如何快速有效的規避可能存在的噪音，對電機開發尤為重要。因此，本文結合工作中遇到的難題對電磁噪音進行分析，為大家提供一些開發設計中的注意事項和經驗。

1 電磁噪聲的產生及分類

電機中，主磁通大致上沿徑向進入氣隙，電磁力作用在定、轉子間的氣隙中，產生旋轉力波或脈動力波，從而引起電磁振動和噪音，這類噪音被稱為電磁噪音[1]。而電磁噪音在空調器上由電機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。

交流異步電動機正常工作時，定、轉子會存在以電源頻率f0基頻整倍數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，一般取1～5，常見取2或4），一般kf0力波激振作用幅值大，往外輻射明顯，會產生較大幅值的力波并往外輻射，特別當電機偏心（轉子軸線與定子軸線偏離）或轉軸受迫振動或變彎時，此力波作用會更加激烈，由此而產生的噪音為電源倍頻噪音。

齒諧波噪音主要是由于電機工作時轉子產生較大轉子電流，轉子電流在轉子斜槽上產生額外諧波電流，該電流產生附加磁場隨電機周期性轉動作用的結果。

異步電機轉子實際轉速比同步旋轉磁場落后，當轉子轉動到磁密大的地方時，定、轉子會受一個頻率為ksf0的力波作用，一般ksf0力波往外輻射效率低，但當轉差率較小時，該力波時域上分布在kf0兩邊疊加作用產生附加轉矩，這樣會產生較大幅值的力波并往外輻射，從而產生滑差噪音。

2 噪音分析

2.1 電源倍頻噪音

該類噪音在生產線及售后時有發生，是一直困擾生產的老大難質量問題，主要存在于柜機室內機、風管機和窗機，柜機室內機一般多數頻譜反映是100 Hz（50 Hz電源）和120 Hz（60 Hz電源）峰值噪音，窗機一般反映的是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：

2.1.1 風葉剛度影響

一般情況下因鐵芯剛性大，電機本身振動產生的噪音能量低，因此不會直接輻射產生噪音，但對于窗機系列，離心風葉剛度會對窗機共振放大產生影響。因離心風葉高速運轉時葉片發生連續彈性變形，這樣其動態下固有頻率會變化。葉片除圓周切線方向受力外，離心方向同樣存在徑向受力，該徑向力反作用于轉軸與電機磁力波形成共振。

比如，某款用于5匹柜機室外機在生產線上存在大比例異響，通過多種方案調整均無法解決該問題。后通過分析發現同一批次的風葉對噪音影響有差異，因此通過調整風葉玻纖含量，由20 %下調到15 %，問題得到解決。

因此，調整離心風葉剛度（玻纖含量）是解決倍頻電磁噪音的有效方法之一。

2.1.2 電機使用的電源影響

有些倍頻噪音與電機本身無太大關系，是由于電源正弦波形不平滑引起。比如我司有一款盤管機，雙機配套使用，在加調速板測試的情況下存在300 Hz倍頻噪音（如圖1）。

用示波器觀察發現由調速板所輸波形不及電源未經變頻前的波形光滑，而在去掉調速板之后，對電機直接通電，通過調整電源電壓的方式來進行調速，此時再次測試整機噪音，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，也會產生倍頻噪音。

2.1.3 減震機構（膠圈）硬度影響

因減振膠圈硬度過硬，振動傳遞效率增大，電磁脈動還是會經減振膠圈傳遞到整機而放大噪音，過軟則把膠圈完全壓變形，膠圈沒有彈性的情況下，振動傳遞效率同樣過高，引起噪音偏大。

比如，我司收到售后投訴消費者使用客戶柜機有令人頭暈噪音，經確診是100 Hz低頻“嗡嗡”音（如圖3），現場采取各種方式對整機及電機進行處理，噪音問題均未能解決。

圖1 加調速板測試噪音頻譜

圖2 不加調速板測試噪音頻譜

后更換電機膠圈硬度，由60度降為53度，整機噪音得以消除（如圖4）。

因此，合理設計膠圈硬度對有減震結構的電機有很好的降噪作用。

2.1.4 負載整機后板或隔板強度影響

低頻倍頻噪音往往與整機相關安裝板的機械強度有關，當安裝板的板材厚時，機械強度大，電機電磁脈動往往不足以引起共振，不會產生噪音。反之則會引起整機共振，產生整機噪音，此情況往往可考慮改變固有頻率降低或消除共振點。

比如，前期我司供貨的某窗機，在制熱過程中出現240 Hz倍頻噪音，通過調整電磁方案及減震結構均無法消除此噪音，更改電機安裝腳厚度后，噪音問題得以解決。

因此，改變整機固有頻率可降低或消除共振點，消除該類噪音。

2.2 齒諧波噪音

2.2.1 齒諧波噪音的成因

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

式中：

K—音階或力波次數，在齒諧波中可取±1、±2、±3，其余取1、2、3；

f0—電源頻率；

Z2—電機轉子槽數；

s—轉差率，s=(N-n)/N，N為旋轉磁場同步轉速；

n—電機實際轉速；

P—電機極對數。

電機定子或轉子變形，定子鐵芯與端蓋偏心，定、轉子之間偏心或槽配合不合理（一般S1-S2=±1，±2，±(p±1)，±(p±2) 時，定、轉子相互作用會產生齒諧波噪音，p為極對數，S1、S2為定轉子的斜槽數）。齒諧波噪音的測試頻率是隨電機轉速的變化而發生變化，通常情況下轉速升高，頻率會增大，反之則會下降。

例如：某款窗機開發初期使用槽配合為定子24槽、轉子26槽，在生產過程中整機曾出現齒諧波噪音，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 某窗機齒諧波噪音圖

實際測得電機中檔轉速為974 r/min，P為3，同步轉速為1 200 r/min，而噪音頻率為912 Hz，當K取值為1時，根據f=|1+K*Z2*(1-S)/P|*2f0，f計算值為 911 Hz，與實測值912 Hz基本吻合（轉速測試時，測試手法，測試方位，測試時間均會導致轉速存在一定偏差），因此判定此噪音為齒諧波噪音。

2.2.2 改善措施

對定、轉子槽配合進行調整，將轉子槽數改為34槽，避開齒諧波噪音點，復測噪音發現整機噪音明顯改善，如圖6。

另外，通過提高電機端蓋，定、轉子加工精度，保證電機定子鐵芯，定、轉子配合精度，增大電機轉子斜槽斜率，改進電機繞組繞線方案，使磁場分布更加均勻，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

滑差噪音一般由轉差引起，轉差在基波磁場上形成諧波，可根據公式判定：

滑差噪音的測試頻率是隨電機轉速的變化而發生變化，通常情況下轉速升高頻率會增大，反之則會下降。

早期某窗機電機在生產線使用過程中出現220 Hz，258 Hz噪音，該電機使用電源是60 Hz，極數6極，同步轉速為1 200 r/min，整機運轉時轉速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果，符合f=4f0±4 sf0關系。

例如：

頻譜如圖7。

通過對該窗機進行大量分析發現，噪音為整機運轉過程中轉子的磁脈動與離心風葉共振通過電機端蓋傳遞到隔板輻射的結果，而共振點在風葉嵌套與之接合的軸之間。

2.3.2 改善措施

因此針對以上噪音采取了如下措施：改變嵌套孔及電機幾何形狀，同時在軸向改螺母打緊（整改前風葉是通過徑向螺釘與電機軸固定，接觸面積較小，兩者的間隙較大），這樣一方面改變結構和質量分布來錯開固有頻率，縮小嵌套與軸間間隙，同時增加風葉嵌套與軸配合機械強度，降低風葉運轉時反振動作用，達到消除噪音的目的。

3 結語

電磁噪音的產生不是單因素的，而是多因素的結果，要保證作為振動激勵源的電機通電情況下處于低振動狀態，關鍵在于控制電機電磁振動與削弱機械振動，因此在方案和結構設計時，應考慮以下幾個因素，減少電磁噪音的出現：

負載整機設計：

1）合理選擇風葉剛度和電機轉速設定，避免固頻噪音和倍頻噪音的干涉；

2）合理設計整機減震結構，減少共振噪音的產生；

圖6 改善后頻譜

圖7 滑差噪音

3）整機和電機設計提前考慮電源諧波干擾，擴大產品使用范圍。

電機設計：

1）合理選擇定轉子槽數，避開S1-S2=±1，±2，±(p±1)，±(p±2)設計；

2）規范電機端蓋，定、轉子加工精度，保證電機定子鐵芯，定、轉子配合精度；

3）合理選擇減震膠圈硬度和尺寸，降低電源倍頻噪音的產生。