吸油煙機用交流異步電機電磁噪聲的分析與解決

胡小帝 汪春節 丁濼火 李碩

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

交流異步電機具有成本低廉、穩定可靠的優點，在吸油煙機上得到廣泛使用。但由于該電機定、轉子上周期變化的徑向電磁力波的作用，容易產生電磁振動和噪聲。而吸油煙機上的電機一般安裝于薄板結構的蝸殼內，用于驅動離心風葉，產生吸煙所需的氣流。當發生電磁振動時，容易與薄板發生共振，并通過蝸殼空腔放大，引起用戶的投訴。另外，電磁噪聲會同時夾雜吸油煙機的氣動噪聲、機械噪聲，增加了噪聲溯源難度。

多年來，多位科研工作者與工程師，都對交流異步電機電磁噪聲的產生機理、診斷與解決方法進行了較深的研究。浙江大學陳永校、諸自強等人從氣隙中磁導的分布入手，計算了作用于定子上的電磁力波的大小與頻率，以及輻射出來的聲功率值，并從調整定轉子槽配比，調整斜槽、繞組等方式改善電磁噪聲[5]。侯宏、滕月慧等人通過聽覺特征分析，提取噪聲頻譜特征，并通過聲學函數對多種噪聲進行分離，以期達到噪聲頻譜與聽覺特征對應的目的[3]。禹利華、易靈芝等人對比不同槽配比，解決了高功率密度電機的電磁噪聲[9]。上海大學鄭江等人通過多物理場仿真平臺Ansys Workbench搭建電機多物理場模型，對車用異步電機電磁力波、結構模態、聲場進行仿真分析，尋找電磁噪聲產生的力波階數及頻率，并通過優化齒槽配比，解決電磁噪聲問題[11]。

電機行業對于交流異步電機的電磁噪聲方面已有較多理論研究，但在吸油煙機上實際應用，以及多電磁噪聲同時出現時的分析、解決研究相對較少。本文將從實際案例出發，分析交流異步電機在吸油煙機上產生多種電磁噪聲時的分析、診斷及解決方案。

2 電磁噪聲問題來源

2.1 問題描述

某型號吸油煙機在用戶家使用時出現明顯異音，用戶不可接受。專業的聽音員反饋能聽到一低一高兩個異音，需要進行分析整改。

2.2 異音頻譜成分確定

將該吸油煙機按GB/T 17713-2011《吸油煙機》[2]附錄E規定的半消聲室要求進行懸掛，在轉速為850 r/min時，噪聲測試頻譜如圖1所示。

圖1 異常噪聲頻譜圖

通過噪聲頻譜圖發現，該吸油煙機在400 Hz、1033 Hz存在異常峰值，其峰值的噪聲值分別為35.23 dB，51.08 dB，平均值為50.77 dB。因此很可能400 Hz、1033 Hz分別對應的就是前述的一低一高的兩個異音。

將采集到的數字信號利用MATLAB中聲信號處理函數WAVWR ITE和WAVREAD生成聲音文件，然后再將認為的故障線譜放大或者濾除處理，生成聲音文件。通過對比處理前后的聲音文件，即可辨別異音產生的頻率。結果表明，當把故障機數據中有400 Hz聲音的線普濾除后，其中較低沉的異音聲消失；當加強這些線譜時異音顯著增強。同理，1033 Hz的頻譜能對應較尖銳的異音。

采用突然斷電法測試通電時和斷電瞬間頻譜對比情況，發現斷電瞬間400 Hz、1033 Hz的噪聲分量消失。因電磁變化過程比機械變化過程快，所以斷電瞬間電磁引起的噪聲會立即消失，而通風噪聲、機械噪聲因慣性來不及下降會保留一段時間。因此，可判定該吸油煙機的異音主要來源于電磁噪聲。

3 交流異步電機電磁噪聲機理

交流異步電機運行時，氣隙中定、轉子基波磁場和各次諧波磁場的互相作用，在定、轉子鐵心內表面產生隨時間和空間變化的低次電磁力波，引起定轉子的電磁振動。這些振動引起的噪聲常見的除了與電源頻率成倍數關系的“嗡嗡”聲外，多半是一些與轉子槽數成倍數的齒諧波振動噪聲。若振動頻率與電機固頻或蝸殼固頻重疊，則會進一步引起嚴重的共振噪聲。其中：

（1）與轉子槽數成倍數的齒諧波引起的力波振動頻率為：

式中：k2為轉子力波階數，等于0，1，2，3……；Z2為轉子齒數，P為電機的極對數，S為電機轉差率，f1為電源頻率，nr為實際轉速。

（2）與電源頻率成倍數關系的基波磁場引起的力波振動頻率為：

式中：k為階數，等于0，1，2，3……，f1為電源頻率。

4 吸油煙機電磁噪聲成因分析

4.1 1033 Hz電磁噪聲分析

4.1.1 電磁噪聲頻率計算

異步電機定、轉子氣隙磁密存在的主要諧波次數如下：

式中：λ為定子諧波次數；μ為轉子諧波次數；P為電機極對數；Z2為轉子槽數；k1、k2分別為定子、轉子階數，為±1，±2，±3……

氣隙中定、轉子齒諧波相互作用的電磁力波階數：

本文中吸油煙機采用的是2對極、齒槽配比為Z1/Z2=24/33的交流電機，因此，根據式（4）定子諧波次數：λ= (6×k1+1)×2=-10，+14，-22，+26，-34，+38，-46，+50，-58，+62，……

根據式（5），轉子諧波次數：

根據式（6），可得出齒諧波振動力波階數表。當產生電磁力波的磁場諧波次數較大時，其磁場幅值較小可以不考慮；而當力波階次較大時，定子的剛性好，振動和噪聲的幅值較小，也可以忽略。

因吸油煙機為小型電機，這里只列出n小于5的階數。由表1可知，該齒槽配比會產生較多低階力波，容易發生電磁噪聲。如：（λ=-34，μ=+35）、（λ=98，μ=-97）的齒諧波產生階數為1的力波，（λ=+62，μ=-64）、（λ=-70，μ=-68）產生階數為2的力波，這里對它們分別進行計算。

表1 槽配比為24/33的振動力波階數表

由式（1）、（2）計算齒諧波（λ=-34，μ=+35）產生振動力波頻率，可知：

對于λ=-34，μ=+35相對應的k1=34,k2=1,而n=μ+λ=35-34=1所以

同理，可計算其他齒諧波導致的1階、2階力波頻率，其中當（λ=-70，μ=-68）時，2階力波產生1035 Hz的振動頻率，與所測試的1033 Hz電磁噪聲頻率基本相同，因此可認為該故障機產生的1033 Hz電磁噪聲是由電機的定轉子齒諧波力波所導致。

4.1.2 模態分析

當電機的齒諧波導致的低階力波頻率與安裝的蝸殼、電機本體、風輪振動頻率基本接近時，容易產生嚴重的共振噪聲。

采用力錘法，測試蝸殼、風輪、電機的固有頻率分布如表2所示。

表2 蝸輪、風輪、電機模態測試

其中蝸殼上存在1032.21 Hz的固有頻率，與電機齒諧波導致的低階力波頻率1035 Hz基本接近，因此容易發生共振而產生噪聲。

4.2 400 Hz電磁異音分析

吸油煙機普遍采用電容轉動小功率單相交流4極電機，當電機轉子每旋轉一周，會對電機磁場發生4次切割，若供電電源頻率為50 Hz，則產生以200 Hz為基頻的振動頻率。而當電源有諧波時，電機的振動會在原來的基波電流產生的振動分量上，又增加因諧波而導致的新分量，使振動加劇，使噪聲更加明顯。采用公式（3）進行計算，400 Hz的電磁噪聲剛好與電源頻率成8倍關系，說明該噪聲與電源頻率及諧波有較大關聯。

為證明400 Hz電磁噪聲與電源頻率及諧波之間的關聯，采用相同檔位，給吸油煙機分別輸入50 Hz與60 Hz兩種不同頻率電源，并改變兩種電源中諧波畸變率，測試噪聲峰值頻率及噪聲值。國家標準要求公用電網諧波畸變率范圍小于5%，全國家庭平均諧波畸變率為1%～2%，因此此次測試采用2%、4%、6%三種諧波畸變率，測試數據如表3的實驗數據所示。

表3 50 Hz、60 Hz電源頻率電磁噪聲情況

從上述實驗數據可知：

（1）當電源頻率由50 Hz變為60 Hz時，噪聲頻率變為60的6倍、8倍關系，400 Hz的噪聲頻譜跟電源的頻率成明顯的倍數關系。

（2）諧波畸變率越高，噪聲峰值越高，噪聲值的大小與諧波畸變率呈顯著正相關。

采用諧波儀測得該發生故障的用戶家電源諧波畸變率為4.1%，噪聲測試房電源諧波率畸變為2.1%左右，均符合國家標準小于5%的范圍，但高于全國家庭平均值。

從上述分析可知，出現故障的用戶4.1%的諧波畸變率會產生47.2 dB以上的噪聲，容易被聽覺敏感的用戶感知。而全國家庭平均諧波畸變率為1%～2%，產生的噪聲小于35.3 dB，在相對嘈雜的廚房環境，該400 Hz噪聲是難以感知的。但如果用戶附近有大型工業基地，或用戶家中有較多大功率家電同時使用時，會使電網感性負載增加，電源諧波畸變率增加，可能使畸變率達到4%及以上。因此，為避免用戶投訴，需對該問題進行整改。

5 電磁噪聲的解決

5.1 定、轉子齒諧波引起的電磁噪聲解決

通過4.1分析可知，該電磁噪聲主要是因齒諧波引起的力波頻率與蝸殼固頻接近，從而導致共振。為了解決這個問題，可通過改變蝸殼的固頻或電機齒諧波力波頻率，讓兩者盡量錯開，避免發生共振。

蝸殼上增加加強筋或在共振區域增加緊固連接的方法可改變蝸殼固有頻率。但該蝸殼有多款量產機型通用，改變固頻可能會讓其他量產機型出現異常，協調難度大，所以此次不對蝸殼固頻進行調整，而嘗試采用改變電機齒諧波力波頻率的方式進行整改。

從公式（1）可知，通過改變電機轉速n或者電機轉子槽數Z2均可改變電機齒諧波力波頻率，但由于目前電機轉速n涉及整機性能標稱，不便調整。因此此次嘗試從電機轉子槽數Z2上進行改善，即改變電機的定、轉子槽配比。現有電機的槽配比為Z1/Z2=24/33，因遠槽配合有利于改善噪聲，所以嘗試將槽配比改為Z1/Z2=24/36，并按上述公式（4）、（5）、（6）代入驗算，可得齒諧波力波階數表，如表4所示。

表4 槽配比為24/36的振動力波階數表

從表4中可知，將槽配比改為Z1/Z2=24/36后，振動力波階數表的最低階數變為4階，大大提升共振階數，增加共振難度。

階數為4時對應的定轉子力波階數為（λ=-34，μ=38），(λ=38，μ=-34)，(λ=-70，μ=74)，(λ=74，μ=-70)，均對應了n=μ+λ=4，因此選擇將此時K2=1、2值代入齒諧波振動力波頻率公式（2），分別得到f為467.5 Hz、935 Hz，遠離了1033 Hz的共振發生區，也不與其他固頻接近。

將整改后電機安裝在整機上進行噪聲頻譜測試如圖2，發現1033 Hz的噪聲頻譜已經消失，但400 Hz的頻譜尖峰仍然存在，說明通過調整電機的齒槽配比避開低階力波對改善齒諧波振動力波引起的電磁噪聲是有效的。

圖2 調整齒槽配比后整機噪聲頻譜

5.2 電源諧波引起的電磁噪聲解決

從4.2分析可知，只要電機轉動必然會切割磁場，產生與電源頻率成倍數的電磁振動，因此該振動的產生不可避免。但該振動并非一定會產生讓用戶察覺的電磁噪聲。只有在電源質量、電機制造工藝或整機系統設計方面綜合存在問題時，才容易產生該電磁噪聲。而一般用戶無法控制電網輸入的質量，因此只能從電機制造工藝、吸油煙機本身的電控或結構系統入手進行解決。

對于電機制造工藝，需要廠商控制加工和裝配工藝，確保電機轉子、定子的加工、裝配偏心盡量小，定、轉子鐵芯的磁導盡量保證均勻，減少磁場不均帶來的振動力波。

對于電控系統的解決，可在控制器上增加電容、電感等電路進行濾波，讓電源呈現較光滑的正弦波。但該方式會極大增加控制器的成本，其增加的成本甚至與電機價格相當，性價比非常低，因此不宜從電控系統方向解決，轉而嘗試在結構系統上進行優化。

吸油煙機的電機通過螺釘直接固定在蝸殼上，而蝸殼通常由薄板件制成。為了避免電機產生的振動直接傳遞到蝸殼上產生共振，通常會在電機與蝸殼之間增加橡膠平墊進行減振，如圖3所示。

圖3 橡膠平墊裝配圖

這種橡膠平墊有接觸面積過大，減振效果有限，且存在未對螺釘進行隔絕，電機的振動可通過螺釘傳遞到蝸殼上等缺陷。因此，需要對橡膠墊進行優化：

（1）為了減少膠墊的接觸面積，將橡膠平墊采用4個如圖4所示的工字型膠墊代替。該工字型膠墊只在螺釘區域跟電機、蝸殼接觸，其他部位均不接觸。另外為了進一步減少膠墊的接觸面積，將該膠墊上下表面設計為凸點，最大限度降低振動傳遞的能量值。

圖4 工字型膠墊

（2）為了隔絕螺釘，工字型膠墊中心設計成螺釘過孔，上表面與螺釘固定面接觸，下表面與蝸殼固定面接觸，中部帶凹槽可卡在電機的U型孔中，如圖5所示，從而讓電機、蝸殼、螺釘均相互隔離。

圖5 工字型膠墊裝配圖

將該膠墊裝配在吸油煙機上，在諧波畸變率為2%的市電下及諧波畸變率為4%的電源下進行噪聲頻譜測試，測試結果如圖6所示。測試結果與圖3橡膠平墊對比，發現400 Hz的異常峰值消失，噪聲值從60.6 dB分別降低到60.04 dB與59.91 dB。

圖6 采用工字型膠墊后的噪聲頻譜

優化后的方案經聽音員辨聽，已經無法聽到明顯的異音。說明優化后的工字型膠墊，能顯著改善電源諧波帶來的電磁噪聲問題。上述整改方案成本低廉，實際應用于大批量生產中，基本穩定解決了400 Hz電磁噪聲問題。

6 結論

（1）交流異步電機產生的電磁噪聲成因復雜，但常見的是與轉子槽數成倍數關系，由齒諧波引起的電磁噪聲，以及與電源頻率成倍數關系，由電源諧波引起的電磁噪聲。

（2）對于電磁噪聲的鑒別可以通過頻譜測試、MATLAB聲信號處理函數處理、突然斷電法、力波分析等方式進行鑒別。

（3）定轉子齒槽配比的優化是解決齒諧波力波引起的電磁噪聲的有效手段之一。

（4）工字型膠墊隔絕振動效果良好，在解決吸油煙機產生電磁噪聲、優化音質方面效果顯著，成本低廉，值得推廣。