高 偉，呂錦鑾

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

1 電源諧波誘發(fā)電機噪音的分析

1.1 理論分析

1.1.1 諧波的含義

數學（微觀）定義：供電系統(tǒng)中，當正弦電壓施加非線性電路上時，電流就變成非正弦波（通常所說的電源畸變），將非正弦波經傅立變換成頻率為n/T（n=1，2，3……）一系列正弦波分量，n 取1 時（頻率為1/T）的分量為基波，n 大于1 的整數倍基波頻率的分量稱為諧波，n 大于1 時表示諧波次數。

物理（宏觀）定義：電網中存在引起電源（正弦波 形）畸變，頻率是電源頻率整數倍的信號，可以是電流信號也可以是電壓信號。圖1 中，紅色波形是正常電源波形（基波），綠色波形是5 次諧波的波形，黑色波形是“基波+5 次諧波”的波形，明顯諧波疊加后電源波形引起畸變。

1.1.2 電源諧波下誘發(fā)噪音的原因分析

1.1.2.1 電磁噪聲的形成原因

具體以普通異步電機電磁噪聲為例，總結電磁噪聲的產生機理如下。

（1）電機氣隙空間的磁場是一個旋轉波，定子和轉子磁場相互作用產生的徑向力波使轉子和定子發(fā)生變形和周期性振動，產生噪聲。氣隙磁場中除基波分量外還有高次諧波分量，高次諧波的徑向力波也都分別作用于定子、轉子鐵心上，加劇了變形及振動。

（2）定子鐵心不同階次的變形有不同的固有頻率，當徑向力波的頻率和鐵心的固有頻率相等或接近時，會引起“共振”。即便徑向力波的波幅不大，也將導致定子鐵心變形和周期性振動產生較大的電磁噪音。

圖1 正弦波形及諧波

1.1.2.2 電磁噪聲產生的機理

電機的電磁噪聲就是電磁力作用在定、轉子的氣隙中產生脈動力波、旋轉力波，使定子產生振動而輻射噪聲。這類噪聲與電機氣隙內的諧波磁場及由此產生的電磁力波幅值、頻率和極數密切相關。

由電機學知道，電機的氣隙磁勢可表示為：

其中，f1(θ,t)為基波合成磁勢；fv(θ,t)為定子繞組v次諧波磁勢；fi(θ,t)為轉子繞組μ 次諧波磁勢。

當3 組定子繞組每極每相槽數q 為正整數時，定子繞組磁勢的諧波次數為：

其中，p 為極對數。

籠型轉子磁勢的齒諧波次數為：

其中，Z2為轉子槽數。

定子和轉子任何一對高次諧波相互作用產生的力波數為：

由于氣隙磁場等于氣隙與氣隙磁導的乘積，氣隙磁場產生的徑向力波為：

其中第一部分是2f1（即2 倍電源頻率）的振動，它是電機中主要的振動分量之一。第二部分是由于定、轉子間齒諧波相互作用所產生的力波，就單獨對電磁噪音來說，它是最核心的影響因素，尤其是在中小型電機中，這些力波一般幅值大、階數小，且頻率分布在人耳的敏感區(qū)范圍。因此對它們的分析及抑制是電機電磁噪音研究的主要方向[1]。

1.2 試驗驗證

1.2.1 總諧波畸變率與電機噪音的關系

抽取同一款電機，驗證當諧波含量發(fā)生變化時對電機噪音的影響，測試結果如表1 所示。從表1 中可知，當電源諧波含量增加時，峰值與總值差呈下降趨勢，即噪音越來越明顯；當諧波含量超過3%時，峰值與總值差小于13 dB，電機噪音不能接受。

表1 諧波含量與噪音關系

1.2.2 階次含量與電機噪音的關系

由前面電源諧波評價指標可知，總諧波畸變率、各階次諧波含量是兩種關鍵指標；而階次是由偶次、奇次組成，偶次指的是與電源頻率成2n 倍關系，奇次指的是與電源頻率成（2n+1）倍關系。

章節(jié)1.2.1 已經分析出，總諧波畸變率與電機噪音成正相關性，總諧波畸變率是由各階次諧波含量疊加組成，主要是誘發(fā)電機產生2nf 或4nf 電磁噪音。由此引發(fā)筆者對“當總諧波畸變率一定的情況下”，各偶次、奇次諧波含量與電機噪音是否也存在一定關系的思考。

因此決定對偶次、奇次諧波含量對電機噪音的關系展開研究。采用偶次、奇次諧波含量分別安排不同諧波含量的輸入試驗進行驗證，結果如表2、表3 所示。每種諧波含量均做3 次實驗，數據略。

表2 奇次諧波

1.3 試驗結果分析

對這些測試數據正態(tài)性檢測得出結果。（1）奇次諧波電機噪音水平值，P=0.051 ＞0.05，符合正態(tài)關系，并對電機噪音水平及奇次諧波不同含量運用單因子方差分析可以得出，P=0.000（P ＜0.05），奇次諧波對電機噪音有明顯顯著性影響。

表3 偶次諧波

（2）偶次諧波電機噪音水平值，P ＜0.05，符合非正態(tài)關系，采用散點圖觀察與電機噪音水平的關系（見圖2）。

圖2 電機噪音水平與偶次諧波含量的散點圖

從圖2 可知，偶次諧波含量與電機噪音水平相關性不大，即當偶次諧波含量增加時，電機噪音水平沒有明顯變化趨勢。

2 抗諧波電機研究方向

2.1 增大定子鐵芯軛厚

電機振動及噪聲強度的大小，與電磁力的大小和定子鐵芯剛度有關（轉子因結構剛度很大，一般不會直接因磁力產生形變而輻射噪音）。根據電機電磁振動經典理論認為：同等勵磁，電磁振動與定子鐵芯徑向尺寸（軛厚）的3 次方成反比，即軛厚越大，振動越小，反之亦然[2]。增大定子鐵芯軛厚如圖3 所示。

圖3 增大定子鐵芯軛厚

2.2 正弦同心式繞組方案

電容運轉單相異步電機外接電容器，有主副兩套繞組，每套繞組一相，流過相電流產生脈振磁場。只要能使每套繞組產生的脈振磁勢空間的諧波電流產生的脈振減弱，那么兩相繞組合成后的旋轉磁勢諧波也弱。正弦同心式繞組方式的基波繞組系數和各階次齒諧波繞組系數相等，其他各次諧波繞組系數都為零。繞組系數為零的各次諧波其諧波磁勢幅值也為零，達到了正弦繞組削弱諧波的目的。

2.3 采取T 型繞組并合理設計“安匝比”

電機理想運行狀態(tài)是圓磁場，這樣徑向作用鐵芯的磁力會減弱。要想獲得圓磁場，可從兩個方面著手，一個是選擇合理的電容器，另外一個是選擇合適的主副相匝比（即安匝比）。單相異步電動機調速方式大體上可分為L 型調速（見圖4）和T 型調速（見圖5）。

圖4 L 型調速

圖5 T 型調速

L 型調速接法各檔位運行匝比不同，變化大，磁場圓度不理想。T 型調速接法的特點如下：當電機處于其他各檔運行時，副繞組總匝數都不發(fā)生變化，只是主繞組匝數增加，對電機主磁通影響較大，故稍稍調整匝數即可滿足各檔轉速要求。盡管電機處于各檔運行時都分別對應不同的匝比，但其差別較L 型接法小得多，運行狀態(tài)也更接近于圓形磁場。

3 結 論

（1）空調電機倍頻電磁噪音的產生與電源中諧波含量有密切關系，且奇次諧波影響更加顯著。

（2）通過對測試電源中增加各階次諧波含量，可有效模擬售后實際電源諧波狀態(tài)，達到提前掌握電機抗諧波能力的目的。

（3）通過將電機鐵心、繞組的設計優(yōu)化，可有效提高電機本體的抗諧波能力。