代 穎，崔淑梅

(1.上海大學(xué)，上海 200072;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150006)

0 引 言

單相異步電動機的結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，維修方便，廣泛應(yīng)用于小型機床、輕工設(shè)備、商業(yè)加工、醫(yī)療器械、家用電器、電動工具以及農(nóng)用水泵、粉碎機等輕工機具［1］。

為獲得安靜舒適的工作和生活環(huán)境，人們對電器產(chǎn)品的噪聲指標要求越來越高，尤其是空調(diào)，為提高市場競爭力，空調(diào)室內(nèi)機最小送風量時的噪聲一般都要求低于35 dB［2］?？照{(diào)壓縮機電機是空調(diào)噪聲的主要來源，因此國內(nèi)外空調(diào)廠商對壓縮機電機的噪聲指標提出了較高的要求。本文以一臺噪聲超標的空調(diào)壓縮機用單相異步電動機為研究對象，分析噪聲超標的原因，并提出解決方法。

1 電機噪聲源的判斷

一臺空調(diào)壓縮機用單相異步電動機的空載噪聲測試結(jié)果為40 dB，超出了空調(diào)廠商對電機噪聲技術(shù)指標的要求，因此，需要對樣機進行改進，解決電機的噪聲問題。而判斷電機噪聲主要成分的來源是有效解決電機噪聲問題的前提。電機噪聲的主要來源有三類:電磁噪聲，空氣動力學(xué)噪聲和機械噪聲［3］。

樣機尺寸較小且未安裝風扇，因此空氣動力學(xué)噪聲很小，可以忽略［4］。采用斷電噪聲測試法判斷樣機噪聲的主要成分是否來自機械噪聲［3］。通過測試發(fā)現(xiàn)，樣機空載噪聲在電源通、斷電前后的瞬間基本不變，由此判斷樣機噪聲主要成分的來源為電磁噪聲。

2 噪聲的頻譜分析

異步電動機的電磁噪聲主要由作用于電機結(jié)構(gòu)的電磁力波和電機結(jié)構(gòu)的固有頻率決定。當某次電磁力波與電機結(jié)構(gòu)相應(yīng)的固有頻率接近時將產(chǎn)生較大的電磁振動，很可能產(chǎn)生較大的電磁噪聲［4］。本文采用安正Cras信號采集分析儀對樣機空載噪聲進行頻譜分析，樣機空載噪聲的線性譜如圖1所示，從圖中可以看出，100 Hz對應(yīng)的噪聲分量最大，是電磁噪聲的主要成分。

圖1 單相異步電動機空載噪聲頻譜

人耳對噪聲比較敏感的頻率范圍為3000～4000 Hz，100 Hz屬于低頻噪聲，40 dB的噪聲屬于微弱聲范圍，但對于追求安靜和舒適性的室內(nèi)空調(diào)而言，40 dB 的噪聲還是超出了要求［5－6］。

空調(diào)壓縮機用單相異步電動機的電源為工頻電，電源電壓220 V、50 Hz，工頻供電的單相異步電動機電磁力波的主要來源有兩類［5，8］:定轉(zhuǎn)子空間磁密諧波的互相作用;電機結(jié)構(gòu)和材料特性的不對稱和不均勻產(chǎn)生的單極性磁通。本文樣機的極數(shù)為4，電機空載時這兩類電磁力波的頻率和次數(shù)如表1所示［5］:

表1 4極單相異步電動機空載電磁力波

表中:μ、γ分別為定轉(zhuǎn)子磁密諧波次數(shù)，k為正整數(shù)，S2為轉(zhuǎn)子槽數(shù)。

由表1可知，定轉(zhuǎn)子諧波磁密或轉(zhuǎn)子基波磁密產(chǎn)生的電磁力波頻率公式中轉(zhuǎn)子槽數(shù)較多，電磁力波頻率較高，可能產(chǎn)生100 Hz電磁噪聲的電磁力波由定子基波磁密或單極性磁通引起。對于極數(shù)大于2的異步電動機而言，單極性磁通引起的電磁力波幅值很小，基本可以忽略。因此可推斷本文樣機的100 Hz電磁噪聲由定子基波引起。

3 電機結(jié)構(gòu)模態(tài)的有限元分析

電機的電磁噪聲主要由作用于電機結(jié)構(gòu)的各次電磁激振力和電機結(jié)構(gòu)對應(yīng)的各階模態(tài)頻率決定?；ù琶墚a(chǎn)生的電磁激振力幅值最大，但產(chǎn)生的力波頻率很低，一般情況下輻射的電磁噪聲很小。

通過減小基波磁密幅值或提高電機結(jié)構(gòu)相應(yīng)的模態(tài)頻率都可以減小基波磁密產(chǎn)生的電磁噪聲。但減小基波磁密幅值會同時降低電機的轉(zhuǎn)矩和功率等重要的性能指標。因此抑制基波分量產(chǎn)生的電磁噪聲，應(yīng)該從結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，提高電機結(jié)構(gòu)相應(yīng)的模態(tài)頻率。

本文采用Ansys仿真分析軟件，建立樣機結(jié)構(gòu)的模態(tài)有限元仿真模型，分析提高電機結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。定子繞組的端部形狀復(fù)雜，如果建立與實際繞組端部接近的幾何模型，則不但有限元網(wǎng)格剖分困難，仿真結(jié)果的精度也難以保證。為簡化分析，需要對槽內(nèi)和端部繞組進行合理簡化，建立定子繞組的3D等效模態(tài)仿真模型。所做簡化如下:

(1)將繞組端部形狀簡化等效為與實際繞組體積相同的空心圓柱體;

(2)繞組力學(xué)參數(shù)按繞組中銅線、絕緣材料和氣隙所占體積等效;

繞組的實際剛度不但與材料有關(guān)，還與加工工藝有很大關(guān)系，受槽滿率和浸漆工藝的影響較大。本文依據(jù)繞組的槽滿率，并估算繞組下線的松緊程度，設(shè)定槽內(nèi)繞組和端部繞組銅線、絕緣材料和空氣隙所占體積比例如下:

(1)槽內(nèi)繞組:銅線60%，絕緣材料15%，空氣隙25%;

(2)端部繞組:銅線70%，空氣隙30%;

設(shè)空氣的彈性模量和泊松比為0，銅線和絕緣材料的力學(xué)參數(shù)分別:彈性模量E銅=120 GPa，E絕緣=3 GPa;泊松比 γ銅=0.35，γ絕緣=0.38;密度 ρ銅=8890 kg/m3，ρ絕緣=800 kg/m3，ρ空氣=1.27 kg/m3。

由此得出槽內(nèi)和端部繞組的等效動力學(xué)參數(shù)及定、轉(zhuǎn)子鐵芯和鑄鋁導(dǎo)條、轉(zhuǎn)軸的動力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 定子繞組的等效動力學(xué)參數(shù)

目前，大多數(shù)電機模態(tài)分析都忽略了電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的影響。對于中小型電機而言，電機轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸對電機結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率影響很小，可以轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對仿真結(jié)果的影響很小。但空調(diào)壓縮機用單相異步電動機屬于分馬力電機，電機尺寸較小，忽略轉(zhuǎn)子對結(jié)構(gòu)剛度的影響會導(dǎo)致較大誤差。因此本文對轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸進行合理的簡化，建立了包括電機機殼、定子結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的整個電機模態(tài)有限元仿真模型。樣機的模態(tài)仿真模型如圖2所示，為進一步簡化分析，忽略了電機的轉(zhuǎn)角、倒角等結(jié)構(gòu)細節(jié)。圖中定子繞組端部已等效為體積相同的空心圓柱體，如圖2(b)所示。

圖2 單相異步電動機的模態(tài)有限元仿真模型

有限元仿真得出樣機結(jié)構(gòu)的4階模態(tài)頻率為6663 Hz，模態(tài)振型如圖3所示。

圖3 電機結(jié)構(gòu)4階模態(tài)振型

4 噪聲問題的解決方法

許多文獻對異步電動機定轉(zhuǎn)子諧波磁密產(chǎn)生的電磁噪聲問題進行了深入研究［9－11］，而定子基波引起的電磁噪聲卻由于頻率很低，產(chǎn)生的噪聲很小而被忽略。但對于空調(diào)應(yīng)用而言，即使是低頻低分貝的噪聲也會對人們的工作和休息產(chǎn)生不利影響，尤其是夜晚睡眠時間。在空調(diào)行業(yè)競爭激烈的今天，空調(diào)壓縮機的噪聲問題已是國內(nèi)外廠商關(guān)注的重要問題之一。

決定電機電磁噪聲的兩個關(guān)鍵因素是作用于電機結(jié)構(gòu)的各次電磁力波和電機結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率。因此電磁噪聲的抑制也主要從這兩方面入手，通過減小或消除某次電磁力波或提高電機結(jié)構(gòu)的剛度抑制電磁噪聲。

對于氣隙磁密諧波產(chǎn)生的電磁噪聲，可通過優(yōu)化電機的電磁設(shè)計削弱或消除產(chǎn)生電磁噪聲的磁密諧波。但對于基波氣隙磁密產(chǎn)生的電磁噪聲，抑制難度較大，因為減小基波磁密幅值勢必影響電機的出力特性，導(dǎo)致電機技術(shù)指標下降。因此對于基波磁密產(chǎn)生的電磁噪聲分量，最好通過提高電機結(jié)構(gòu)剛度來解決。

提高電機結(jié)構(gòu)剛度最常用的方法是增加定子軛厚度［12］。但這種方法需要重新加工電機定子鐵心沖片，機殼設(shè)計也需要進行相應(yīng)改動，對于已在使用的電機產(chǎn)品而言，改造費用較大。

在中小型電機的振動噪聲研究中，許多文獻都忽略了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對電機剛度的影響。本文空調(diào)壓縮機用單相異步電動機屬于分馬力電機，電機尺寸和質(zhì)量較小，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量在電機質(zhì)量中所占比重較大，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的剛度好壞直接影響電機的振動噪聲特性。分馬力電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相當于一個靠轉(zhuǎn)軸支撐懸掛在定子內(nèi)腔的質(zhì)量系統(tǒng)，減小轉(zhuǎn)子質(zhì)量或提高轉(zhuǎn)軸剛度都會提高電機結(jié)構(gòu)剛度。因此本文采用適當加粗轉(zhuǎn)軸的方法提高電機結(jié)構(gòu)的剛度，增大轉(zhuǎn)軸直徑2 mm，仿真電機結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，4階模態(tài)頻率提高到7754 Hz。

在對改進后樣機的空載噪聲測試中，測試選擇安靜的夜晚時間，背景噪聲為37 dB，樣機開機后聲級計測試所得噪聲等級基本不變，證明了加粗轉(zhuǎn)軸方案的可行性。

5 結(jié) 論

本文以一臺空調(diào)壓縮機用單相異步電動機的噪聲問題為例，分析了噪聲來源和產(chǎn)生原因，并提出了降噪方案，得出以下結(jié)論:

(1)對于追求靜音設(shè)計的空調(diào)應(yīng)用而言，壓縮機用單相異步電動機的低頻電磁噪聲也應(yīng)引起重視;

(2)對于基波磁密產(chǎn)生的電磁噪聲分量，應(yīng)從電機結(jié)構(gòu)剛度的提高上尋找降噪方法，并需要考慮方案的可行性和成本因素;

(3)在電機設(shè)計時必須保證電機結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，使電機結(jié)構(gòu)相應(yīng)的固有頻率高于并遠離基波磁密產(chǎn)生的電磁力波的頻率;

(4)分馬力電機質(zhì)量和尺寸較小，電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對電機剛度的影響較大，在電機結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性分析過程中不可忽略電機轉(zhuǎn)軸對電機結(jié)構(gòu)剛度的影響。

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