家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)高頻噪聲分析與優(yōu)化

譚書鵬 郭莉娟 葉容君 張肅

廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528333

0 引言

家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)噪聲包括機(jī)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(jī)噪聲值的重要因素，也是導(dǎo)致用戶聽感較差的主要原因之一[1-2]。當(dāng)前家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)多數(shù)使用脈寬調(diào)制技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行控制，在電流轉(zhuǎn)化的過程中會出現(xiàn)信號調(diào)制，從而產(chǎn)生較大的高頻噪聲。

本文針對家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)中普遍存在的高頻噪聲現(xiàn)象，從噪聲源產(chǎn)生機(jī)理和傳遞路徑進(jìn)行了研究[3]，建立了變頻壓縮機(jī)高頻噪聲問題識別方法，提出壓縮機(jī)高頻噪聲的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，對后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

1 電機(jī)高頻噪聲機(jī)理

家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)的電機(jī)驅(qū)動多采用交流-直流-交流的方式控制，在直流轉(zhuǎn)化為交流時，采用脈寬調(diào)制技術(shù)。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(diào)節(jié)脈沖寬度達(dá)到調(diào)節(jié)電壓幅值，通過調(diào)節(jié)電壓脈沖的頻率（即載波頻率）來改變波形的質(zhì)量。當(dāng)載波頻率越大，一個周期內(nèi)脈沖的個數(shù)就越多，電流波形的平滑性就越好。基波頻率是一個周期內(nèi)的正弦波波數(shù)。在現(xiàn)有壓縮機(jī)控制中，載波頻率是定值[4-5]。

根據(jù)已有理論，控制器供電時同步電機(jī)產(chǎn)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(zhuǎn)子繞組磁動勢諧波的階次，p-電機(jī)極對數(shù)，ω0-定子電流基波的角頻率，ωu-轉(zhuǎn)子繞組u階空間諧波的角頻率，t-時間，α-坐標(biāo)系中離原點(diǎn)的角位移，u-同一階次定子和轉(zhuǎn)子諧波之間的矢量夾角，h-高階時間諧波的階次，α-坐標(biāo)系中離原點(diǎn)的角位移，z1-定子槽數(shù)，Bmv-定子磁通密度v諧波的幅值，Bmu-轉(zhuǎn)子磁通密度u諧波的幅值，Ak-定子槽口k階諧波磁導(dǎo)系數(shù)。第一項(xiàng)與第二項(xiàng)為正弦波供電時電機(jī)徑向力波，第三項(xiàng)與第四項(xiàng)為控制器供電時永磁同步電機(jī)特有的徑向力波。

控制器供電時，由定子諧波磁動勢產(chǎn)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(chǎn)生的徑向力對電機(jī)的振動噪聲有很大影響。由式（1）第三項(xiàng)可得，h階時間諧波磁動勢產(chǎn)生的定子基波磁場與轉(zhuǎn)子永磁體基波磁場相互作用產(chǎn)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(jī)的基波電流頻率。

對于調(diào)制波fh=a1fc±b1f0，有：

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

2 壓縮機(jī)高頻噪聲分析

2.1 壓縮機(jī)高頻噪聲現(xiàn)象

在90 Hz運(yùn)行條件下，對某一型號家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)（圖1）進(jìn)行壓縮機(jī)單體近場聲源定位測試，測試結(jié)果如圖2所示，發(fā)現(xiàn)5000 Hz頻段噪聲在電機(jī)上部殼體區(qū)域較大，表明5000 Hz噪聲主要來自于壓縮機(jī)電機(jī)上部殼體區(qū)域。進(jìn)一步分析該區(qū)域的噪聲振動線譜（如圖3所示），發(fā)現(xiàn)噪聲振動峰值頻率均為4649 Hz，且振動高達(dá)12.66 m/s2。

圖1 家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 壓縮機(jī)5000 Hz噪聲分布特性

圖3 電機(jī)上部殼體區(qū)域噪聲振動頻譜

2.2 壓縮機(jī)高頻噪聲原因分析

家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)電磁噪聲主要由電機(jī)產(chǎn)生的電磁場交替變化而引起某些機(jī)械部件或空間容積振動產(chǎn)生的噪聲，是壓縮機(jī)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(jìn)入電機(jī)引起磁場的交替變化產(chǎn)生激振力導(dǎo)致定子振動，定子振動通過連接部傳遞到壓縮機(jī)殼體，使殼體產(chǎn)生振動從而向外輻射噪聲。

圖4 家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)5000 Hz振動傳遞路徑

（1）噪聲源分析

上述家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)所使用的電機(jī)為9槽6極同步電機(jī)，所采用的逆變器的載波頻率為6000 Hz。當(dāng)壓縮機(jī)以90 Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時，9槽6極電機(jī)基波電流頻率為270 Hz，由式（3）可知，當(dāng)a=1，b=4時，可知其調(diào)制波的頻率為：

該調(diào)制波頻率與壓縮機(jī)電機(jī)上部殼體區(qū)域噪聲峰值頻率大小一致，因此，5000 Hz噪聲源為逆變器調(diào)制波頻率與轉(zhuǎn)子永磁體基波磁場頻率相互作用產(chǎn)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(jī)電磁力引起的定子振動通過定子與壓縮機(jī)殼體的連接部，將振動傳遞至壓縮機(jī)殼體上，從而激發(fā)殼體結(jié)構(gòu)振動噪聲輻射。對比分析壓縮機(jī)電機(jī)部殼體振動與電機(jī)上部區(qū)域殼體振動，結(jié)果如圖5所示。

圖5 電機(jī)部殼體與電機(jī)上部區(qū)域殼體振動對比

從測試結(jié)果上看，電機(jī)上部區(qū)域殼體的振動較電機(jī)部振動明顯偏大，表明電機(jī)部的高頻振動傳遞至電機(jī)上部區(qū)域殼體時激發(fā)了上部殼體的共振，從而產(chǎn)生了較大的振動噪聲。

3 壓縮機(jī)高頻噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 載波頻率對高頻噪聲的影響

前述分析已經(jīng)明確逆變器調(diào)制波頻率與轉(zhuǎn)子永磁體基波磁場頻率相互作用產(chǎn)生的徑向力波是導(dǎo)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(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)分別采用5000 Hz、6000 Hz、7000 Hz和8000 Hz載波頻率來驅(qū)動變頻壓縮機(jī)，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(jī)噪聲對比

由不同載波頻率下壓縮機(jī)噪聲對比結(jié)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(qiáng)度對高頻噪聲的影響

由于家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)內(nèi)部電機(jī)上端面距離上殼體較遠(yuǎn)，因此在二者之間與外部殼體形成了一個較大的空腔區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域?qū)?yīng)的圓周殼體部位剛性較小，模態(tài)頻率相對較低，極易引發(fā)共振，從而輻射較大的噪聲。為了改善家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)的高頻輻射噪聲，需提升上述殼體區(qū)域剛性，進(jìn)一步提高共振頻率，降低結(jié)構(gòu)共振風(fēng)險。

（1）方案設(shè)計(jì)

為了提升電機(jī)上部區(qū)域殼體剛性，分別通過增設(shè)加強(qiáng)隔板和降低殼體高度來實(shí)現(xiàn)，具體方案為：①在電機(jī)上部空腔區(qū)域中部位置增設(shè)一個加強(qiáng)隔板（方案一）；②將電機(jī)上部空腔區(qū)域高度減短（方案二）。兩種方案結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 不同方案結(jié)構(gòu)示意圖

（2）聲輻射仿真計(jì)算

聲功率是衡量壓縮機(jī)殼體表面聲輻射強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)，對壓縮機(jī)整機(jī)進(jìn)行聲輻射計(jì)算能夠初步預(yù)測關(guān)鍵頻段噪聲的改善效果。采用聲學(xué)仿真軟件分別對原方案、方案一和方案二進(jìn)行了聲輻射方案計(jì)算[8]，提取了壓縮機(jī)表面5000 Hz振動分布云圖如圖8所示。

從仿真計(jì)算結(jié)果看，原方案5000 Hz振動主要集中在電機(jī)上部區(qū)域殼體，增設(shè)加強(qiáng)隔板（方案一），電機(jī)上部區(qū)域殼體處5000 Hz振動改善明顯；電機(jī)上部區(qū)域殼體高度減短（方案二），電機(jī)上部區(qū)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(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)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(jìn)行了壓縮機(jī)單體噪聲測試，結(jié)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(diào)壓縮機(jī)高頻噪聲改善提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。

4 結(jié)論

本文研究了家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)高頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理及其傳遞路徑，并結(jié)合旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特性建立了家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)高頻噪聲源的識別方法，并得出以下結(jié)論：

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

（2）通過提高載波頻率和提升電機(jī)上部空腔區(qū)域殼體剛度均能