張海鵬 潘毅廣 孫敬龍 丁龍輝 李秀軍

海信（山東）冰箱有限公司 山東青島 266000

1 引言

冰箱作為家用產(chǎn)品，其噪音直接影響用戶的舒適感，是冰箱品質(zhì)的重要評價指標(biāo)。目前制冷行業(yè)內(nèi)都是根據(jù)國標(biāo)對冰箱等家用電器進行噪音標(biāo)稱，雖然可以保證噪音測試的穩(wěn)定性，但忽略了用戶真實的噪音感知，聲音信號的突變和毛刺才是用戶對噪音的真正感知，而這恰恰是我們未關(guān)注的。往復(fù)式壓縮機結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，被廣泛應(yīng)用于冰箱等制冷領(lǐng)域[1]，往復(fù)式壓縮機曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，即通過電機驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)，連桿擺動帶動活塞運動，實現(xiàn)曲軸的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榛钊闹本€運動，這種結(jié)構(gòu)必然會使壓縮機曲軸的運轉(zhuǎn)處于非平衡狀態(tài)，產(chǎn)生很大的振動噪音，為解決此問題都會在曲軸上安裝平衡塊，平衡壓縮機芯的動平衡，而壓縮機停機瞬間機芯則處于非平衡狀態(tài)，會使壓縮機機芯產(chǎn)生很大的抖動，甚至導(dǎo)致機芯與外殼撞擊，帶來較大的噪音[2]。通過研究壓縮機停機噪音產(chǎn)生機理，提出停機噪音控制策略，減小壓縮機停機瞬間噪音的抖動度，提升壓縮機運行聲音信號的穩(wěn)定性，進而提升人耳對冰箱聲音感知的愉悅度。

2 現(xiàn)有技術(shù)分析

目前冰箱行業(yè)內(nèi)多采用往復(fù)式壓縮機進行制冷，壓縮機的啟、停都是根據(jù)間室溫度進行控制。當(dāng)冰箱間室溫度（冰箱間室內(nèi)安裝有溫度傳感器，可以實時監(jiān)測間室內(nèi)的溫度）小于或等于冰箱間室設(shè)置溫度（觸控顯示屏上）時，主控板發(fā)出停機信號，壓縮機立即停機。壓縮機工作轉(zhuǎn)速往往通過環(huán)境溫度進行確定，一般情況下環(huán)境溫度越高壓縮機轉(zhuǎn)速越大。這就意味著，炎熱的夏季壓縮機多數(shù)會運行在高轉(zhuǎn)速，如果達到停機條件，壓縮機會以高轉(zhuǎn)速停機，由于機芯停機瞬間的非平衡狀態(tài)，就會帶來異常的噪音波動，影響用戶體驗[3]。

3 減振技術(shù)研究

3.1 降噪原理

壓縮機接到停機信號，壓縮機在失去驅(qū)動力的情況下，工作轉(zhuǎn)速在短時間內(nèi)降為零，由于轉(zhuǎn)動慣性的存在，機芯具有一定的沖擊能量。

假設(shè)壓縮機機芯為沿中軸轉(zhuǎn)動的質(zhì)量連續(xù)分布的剛體，其轉(zhuǎn)動慣量（即轉(zhuǎn)動慣性的量度）：

其中，dm為質(zhì)量元，對質(zhì)量線性分布的剛體：dm=λdL，λ為質(zhì)量線密度；對質(zhì)量面分布的剛體：dm=σdS，σ為質(zhì)量面密度；對質(zhì)量體分布的剛體：dm=ρdV，ρ為質(zhì)量體密度；所以轉(zhuǎn)動慣量的大小取決于剛體的質(zhì)量形狀和轉(zhuǎn)軸的位置。

剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量（其中 為剛體轉(zhuǎn)動的角速度）：

剛體的角動量定理：

微分形式：

由角動量定理可知，角動量增量越大，力矩沖量也越大，即壓縮機高轉(zhuǎn)速停機比低轉(zhuǎn)速停機機芯力矩沖量大，為減小停機瞬間機芯的力矩沖量可以控制壓縮機降低轉(zhuǎn)速停機，從而達到減小停機瞬間噪音波動的效果[5]。

3.2 降噪方案設(shè)計

通過對壓縮機停機瞬間力矩沖量的分析，可以采用停機前降低轉(zhuǎn)速，來降低機芯的力矩沖量。冰箱工作周期壓縮機轉(zhuǎn)速變化如圖1所示，壓縮機轉(zhuǎn)速控制原理如圖2所示。冰箱間室溫度達到開機點，壓縮機啟動，根據(jù)環(huán)境溫度判斷壓縮機“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”，壓縮機以“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”運行預(yù)設(shè)時間t0或通過設(shè)定間室溫度與設(shè)定溫度差值小于設(shè)定閾值ΔT1，壓縮機轉(zhuǎn)速降至“二級轉(zhuǎn)速N2”，壓縮機以“二級轉(zhuǎn)速N2”運行預(yù)設(shè)時間t0或通過設(shè)定間室溫度與設(shè)定溫度差值小于設(shè)定閾值ΔT2，壓縮機轉(zhuǎn)速降至“三級轉(zhuǎn)速N3”，壓縮機以“三級轉(zhuǎn)速N3”運行，當(dāng)間室溫度到達停機溫度時，壓縮機以現(xiàn)運行轉(zhuǎn)速（三級轉(zhuǎn)速N3）停機；其中N1＞N2＞N3。

圖1 冰箱工作周期壓縮機轉(zhuǎn)速變化曲線

圖2 壓縮機轉(zhuǎn)速控制規(guī)則

以上控制雖然保證壓縮機停機瞬間處于較低轉(zhuǎn)速，可以有效減小停機瞬間機芯的沖量，從而減小壓縮機停機瞬間的振動噪音，但整個工作過程中轉(zhuǎn)速變化頻繁，容易引起用戶對聲音的感知；壓縮機轉(zhuǎn)速在工作過程中不斷減小，間室溫度需要更長時間才能達到停機溫度，增加了制冷時間，同時降溫速度也相對減慢，不利于食材的保鮮[6]。

3.3 降噪方案優(yōu)化

圖3 優(yōu)化方案壓縮機控制規(guī)則

圖4 低噪停機模式控制流程

表1 實驗組對應(yīng)控制方式

表2 壓縮機不同低噪停機模式測試振動值

為了保證用戶體驗及快速制冷的要求，對壓縮機轉(zhuǎn)速控制進行優(yōu)化，如圖3所示，冰箱間室溫度達到開機點，壓縮機啟動，根據(jù)環(huán)境溫度判斷壓縮機“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”，壓縮機以“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”運行直至間室溫度達到停機溫度，壓縮機接收停機信號，進入低噪停機模式。

壓縮機低噪停機模式制控流程如圖4所示，壓縮機由“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”快速降至“緩沖轉(zhuǎn)速Nc”，在“緩沖轉(zhuǎn)速Nc”維持預(yù)設(shè)時間t后用相對較慢的速度降至壓縮機允許的最低轉(zhuǎn)速N0（壓縮機能達到并且不產(chǎn)生共振的最低轉(zhuǎn)速），維持預(yù)設(shè)時間t后停機。

以海信某一對開門冰箱低噪停機模式壓縮機轉(zhuǎn)速控制進行說明。通過對變頻壓縮機轉(zhuǎn)速變化規(guī)律分析可知，壓縮機轉(zhuǎn)速快速通過共振帶有利于噪音的控制，壓縮機轉(zhuǎn)速控制信號發(fā)出后壓縮機實際轉(zhuǎn)速滯后于控制信號（控制信號發(fā)出壓縮機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需一定的反應(yīng)時間），所以如表1所示，設(shè)計不同的低噪停機模式方案進行測試分析，停機瞬間振動值如表2所示。

如圖5所示通過對壓縮機停機瞬間的振動值對比可以看出，3-2#的控制方法最優(yōu)，如圖6所示為最優(yōu)控制方法壓縮機的轉(zhuǎn)速變化曲線，壓縮機轉(zhuǎn)速由“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”以240r/s的速度降至2400r，在該轉(zhuǎn)速維持3s，以120r/s降至1600r，維持3s后停機，此種方案引起的停機瞬間振動更小。

通過上述實驗結(jié)果分析：

（1）壓縮機轉(zhuǎn)速在1200r～1500r停機振動較大，如圖7所示，通過如圖8的掃頻數(shù)據(jù)可以看出1200r～1500r有多處共振帶，1600r為壓縮機允許的最低轉(zhuǎn)速；

（2）壓縮機由目標(biāo)轉(zhuǎn)速快速降至緩沖轉(zhuǎn)速（2400r），轉(zhuǎn)速快速通過共振帶，避免產(chǎn)生共振；

（3）壓縮機在緩沖轉(zhuǎn)速（2400r）維持預(yù)設(shè)時間（3s），以相對較慢的速度（120r/s）降至壓縮機允許的最低轉(zhuǎn)速（1600r），維持預(yù)設(shè)時間（3s）后停機，可以有效減小機械部件遲滯于控制信號，使停機前轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在允許的最低轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

通過在對開門產(chǎn)品上進行驗證，可以看出壓縮機停機時進入低噪停機模式，壓縮機由“目標(biāo)轉(zhuǎn)速”快速降至“緩沖轉(zhuǎn)速”，在“緩沖轉(zhuǎn)速”維持預(yù)設(shè)時間后用相對較慢的速度降至壓縮機允許的最低轉(zhuǎn)速，維持預(yù)設(shè)時間后停機；可以有效降低振動噪音值，減小噪音波動，如圖9。本次驗證緩沖轉(zhuǎn)速僅有一級，針對機芯較重、壓縮機曲軸平衡性較差、機芯與壓縮機殼體間隙較小以及制冷系統(tǒng)壓力過大的情況，緩沖轉(zhuǎn)速可以設(shè)計多級，以便壓縮機可以穩(wěn)定在允許的最低轉(zhuǎn)速進行停機。

圖5 不同停機方案的停機瞬間的振動分布

圖7 低噪停機模式colormap

圖6 低噪停機模式壓縮機轉(zhuǎn)速變化曲線

圖8 壓縮機掃頻曲線

圖9 壓縮機停機瞬間振動對比