家用變頻空調壓縮機高頻噪聲分析與優化

譚書鵬 郭莉娟 葉容君 張肅

廣東美芝制冷設備有限公司 廣東佛山 528333

0 引言

家用變頻空調壓縮機噪聲包括機械噪聲、電磁噪聲和氣流噪聲三大噪聲源，而通常高頻噪聲是影響整機噪聲值的重要因素，也是導致用戶聽感較差的主要原因之一[1-2]。當前家用變頻空調壓縮機多數使用脈寬調制技術對電機進行控制，在電流轉化的過程中會出現信號調制，從而產生較大的高頻噪聲。

本文針對家用變頻空調壓縮機中普遍存在的高頻噪聲現象，從噪聲源產生機理和傳遞路徑進行了研究[3]，建立了變頻壓縮機高頻噪聲問題識別方法，提出壓縮機高頻噪聲的優化設計方向，對后續產品設計提供參考。

1 電機高頻噪聲機理

家用變頻空調壓縮機的電機驅動多采用交流-直流-交流的方式控制，在直流轉化為交流時，采用脈寬調制技術。控制器輸出的是一序列的電壓脈沖信號，該信號會輸入到定子繞組中，通過調節脈沖寬度達到調節電壓幅值，通過調節電壓脈沖的頻率（即載波頻率）來改變波形的質量。當載波頻率越大，一個周期內脈沖的個數就越多，電流波形的平滑性就越好。基波頻率是一個周期內的正弦波波數。在現有壓縮機控制中，載波頻率是定值[4-5]。

根據已有理論，控制器供電時同步電機產生的主要徑向力可以簡化為：

式中，v-定子繞組磁動勢諧波的階次，u-轉子繞組磁動勢諧波的階次，p-電機極對數，ω0-定子電流基波的角頻率，ωu-轉子繞組u階空間諧波的角頻率，t-時間，α-坐標系中離原點的角位移，u-同一階次定子和轉子諧波之間的矢量夾角，h-高階時間諧波的階次，α-坐標系中離原點的角位移，z1-定子槽數，Bmv-定子磁通密度v諧波的幅值，Bmu-轉子磁通密度u諧波的幅值，Ak-定子槽口k階諧波磁導系數。第一項與第二項為正弦波供電時電機徑向力波，第三項與第四項為控制器供電時永磁同步電機特有的徑向力波。

控制器供電時，由定子諧波磁動勢產生的基波磁場的頻率較高，因此它與永磁體磁場相互作用產生的徑向力對電機的振動噪聲有很大影響。由式（1）第三項可得，h階時間諧波磁動勢產生的定子基波磁場與轉子永磁體基波磁場相互作用產生的徑向力波頻率為：

式中，fh-逆變器輸出電流諧波頻率，f0-電機的基波電流頻率。

對于調制波fh=a1fc±b1f0，有：

由于a1和b1為奇偶互異的正整數，所以式（3）中載波頻率和基波頻率的系數同時為奇數或同時為偶數。

2 壓縮機高頻噪聲分析

2.1 壓縮機高頻噪聲現象

在90 Hz運行條件下，對某一型號家用變頻空調壓縮機（圖1）進行壓縮機單體近場聲源定位測試，測試結果如圖2所示，發現5000 Hz頻段噪聲在電機上部殼體區域較大，表明5000 Hz噪聲主要來自于壓縮機電機上部殼體區域。進一步分析該區域的噪聲振動線譜（如圖3所示），發現噪聲振動峰值頻率均為4649 Hz，且振動高達12.66 m/s2。

圖1 家用變頻空調壓縮機結構示意圖

圖2 壓縮機5000 Hz噪聲分布特性

圖3 電機上部殼體區域噪聲振動頻譜

2.2 壓縮機高頻噪聲原因分析

家用變頻空調壓縮機電磁噪聲主要由電機產生的電磁場交替變化而引起某些機械部件或空間容積振動產生的噪聲，是壓縮機高頻噪聲的主要來源[6-7]。其主要傳遞路徑為：控制器電流進入電機引起磁場的交替變化產生激振力導致定子振動，定子振動通過連接部傳遞到壓縮機殼體，使殼體產生振動從而向外輻射噪聲。

圖4 家用變頻空調壓縮機5000 Hz振動傳遞路徑

（1）噪聲源分析

上述家用變頻空調壓縮機所使用的電機為9槽6極同步電機，所采用的逆變器的載波頻率為6000 Hz。當壓縮機以90 Hz運轉時，9槽6極電機基波電流頻率為270 Hz，由式（3）可知，當a=1，b=4時，可知其調制波的頻率為：

該調制波頻率與壓縮機電機上部殼體區域噪聲峰值頻率大小一致，因此，5000 Hz噪聲源為逆變器調制波頻率與轉子永磁體基波磁場頻率相互作用產生的徑向力波。

（2）傳遞路徑分析

由上述5000 Hz振動傳遞路分析可知，電機電磁力引起的定子振動通過定子與壓縮機殼體的連接部，將振動傳遞至壓縮機殼體上，從而激發殼體結構振動噪聲輻射。對比分析壓縮機電機部殼體振動與電機上部區域殼體振動，結果如圖5所示。

圖5 電機部殼體與電機上部區域殼體振動對比

從測試結果上看，電機上部區域殼體的振動較電機部振動明顯偏大，表明電機部的高頻振動傳遞至電機上部區域殼體時激發了上部殼體的共振，從而產生了較大的振動噪聲。

3 壓縮機高頻噪聲優化設計

3.1 載波頻率對高頻噪聲的影響

前述分析已經明確逆變器調制波頻率與轉子永磁體基波磁場頻率相互作用產生的徑向力波是導致5000 Hz頻段噪聲較大的根源。為了從根源上研究載波頻率對5000 Hz頻段噪聲的影響，通過改變載波頻率進行了試驗驗證，試驗分別采用5000 Hz、6000 Hz、7000 Hz和8000 Hz載波頻率來驅動變頻壓縮機，并對比了不同載波頻率下的噪聲，如圖6所示。

圖6 不同載波頻率下壓縮機噪聲對比

由不同載波頻率下壓縮機噪聲對比結果可知，隨著載波頻率不斷提高，5000 Hz頻段噪聲改善明顯，其中，載波頻率為8000 Hz時，5000 Hz頻段噪聲下降10 dB(A)以上。

3.2 殼體強度對高頻噪聲的影響

由于家用變頻空調壓縮機內部電機上端面距離上殼體較遠，因此在二者之間與外部殼體形成了一個較大的空腔區域，導致該區域對應的圓周殼體部位剛性較小，模態頻率相對較低，極易引發共振，從而輻射較大的噪聲。為了改善家用變頻空調壓縮機的高頻輻射噪聲，需提升上述殼體區域剛性，進一步提高共振頻率，降低結構共振風險。

（1）方案設計

為了提升電機上部區域殼體剛性，分別通過增設加強隔板和降低殼體高度來實現，具體方案為：①在電機上部空腔區域中部位置增設一個加強隔板（方案一）；②將電機上部空腔區域高度減短（方案二）。兩種方案結構示意圖如圖7所示。

圖7 不同方案結構示意圖

（2）聲輻射仿真計算

聲功率是衡量壓縮機殼體表面聲輻射強度的關鍵指標，對壓縮機整機進行聲輻射計算能夠初步預測關鍵頻段噪聲的改善效果。采用聲學仿真軟件分別對原方案、方案一和方案二進行了聲輻射方案計算[8]，提取了壓縮機表面5000 Hz振動分布云圖如圖8所示。

從仿真計算結果看，原方案5000 Hz振動主要集中在電機上部區域殼體，增設加強隔板（方案一），電機上部區域殼體處5000 Hz振動改善明顯；電機上部區域殼體高度減短（方案二），電機上部區域殼體處5000 Hz振動改善明顯，且該方案輻射面積較小。

（3）試驗驗證

為了驗證上述改善方案的改善效果，對原方案、方案一和方案二分別進行了壓縮機單體噪聲測試，結果如圖9所示，方案一和方案二在5000 Hz頻段噪聲分別降低約5.8 dB(A)和6.9 dB(A)。大幅降低5000 Hz頻段噪聲，為家用變頻空調壓縮機高頻噪聲改善提供了理論依據和指導。

4 結論

本文研究了家用變頻空調壓縮機高頻噪聲產生機理及其傳遞路徑，并結合旋轉式壓縮機的結構特性建立了家用變頻空調壓縮機高頻噪聲源的識別方法，并得出以下結論：

（1）研究明確了變頻壓縮機5000 Hz頻段噪聲主要是逆變器調制波頻率與轉子永磁體基波磁場頻率相互作用產生的徑向力波引起定子振動，并通過壓縮機殼體共振放大導致。

（2）通過提高載波頻率和提升電機上部空腔區域殼體剛度均能