馬新強(qiáng) 林健 張肅 龔純 程杰鋒

1.美的集團(tuán)中央研究院 廣東佛山 528311；2.廣東美的廚房電器制造有限公司 廣東佛山 528311

1 引言

振動噪音是微波爐產(chǎn)品的重要技術(shù)指標(biāo)，也是用戶在產(chǎn)品使用過程中最關(guān)切的技術(shù)指標(biāo)之一，對其振動噪聲分析與控制是家電行業(yè)研究的熱點(diǎn)。市場常見的變壓器分為兩種：一類為普通微波爐，采用漏感變壓器工作，占市場主導(dǎo)地位；另一類為變頻微波爐，采用變頻器代替變壓器進(jìn)行工作。本文主要針對普通微波爐開展振動噪聲研究，其噪音源大體上可以分為四個部分：（1）漏磁變壓器引起的電磁振動噪音；（2）散熱風(fēng)扇產(chǎn)生噪音；（3）機(jī)械噪聲，主要指轉(zhuǎn)盤或者微波攪拌片等機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪音；（4）磁控管噪音。其中，漏磁變壓器引起的振動噪音與風(fēng)機(jī)噪音對整機(jī)噪音貢獻(xiàn)量最大[1]。本文主要研究內(nèi)容為微波爐變壓器引起的電磁振動噪聲問題，不涉及微波爐軸流風(fēng)扇引起的氣動噪聲問題[2]。實(shí)際使用過程中的用戶反饋顯示，用戶對于變壓器引起的“嗡嗡聲”尤為不滿，而對風(fēng)扇噪音問題接受度較高。因此，研究微波爐的振動噪音產(chǎn)生機(jī)理和傳遞路徑，能夠高效且具有針對性地設(shè)計(jì)減振降噪方案，改善微波爐整機(jī)中的振動噪音與異音問題，提升用戶使用體驗(yàn)[3-5]。

2 微波爐電磁振動噪音機(jī)理

普通微波爐所用的變壓器屬于漏感變壓器或稱為漏磁變壓器，兼有穩(wěn)壓與變壓功能為一體的特殊變壓器。通過變壓器內(nèi)的漏磁支路，吸收初級線圈側(cè)磁通變化，保證次級線圈側(cè)的磁通不變，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。漏磁變壓器產(chǎn)生振動噪聲的主要方式分為兩種：（1）變壓器漏磁磁場引起的電磁激勵振動噪聲；（2）變壓器鐵芯磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的振動[6-7]。兩者的產(chǎn)生機(jī)理與傳遞路徑大不相同。

2.1 變壓器電磁激勵噪聲機(jī)理

微波爐變壓器工作時，鐵芯內(nèi)的磁場強(qiáng)度處于磁飽和狀態(tài)或者深度磁飽和狀態(tài)，大部分磁通通過鐵芯與漏磁疊片，但仍有較多的漏磁磁通通過空氣傳播。因此，位于變壓器周圍的導(dǎo)磁性結(jié)構(gòu)，在交變電磁場的作用下產(chǎn)生電磁激勵振動響應(yīng)，從而向周圍輻射振動噪音。微波爐的鈑金結(jié)構(gòu)所受的變壓器漏磁磁場的電磁力可以通過麥克斯韋張量法進(jìn)行計(jì)算。麥克斯韋張量法用等效的磁張力來代替體積力，根據(jù)介質(zhì)界面的磁通密度求解。該方法能夠很直觀地確定介質(zhì)交界面的電磁力與電磁力密度分布。

根據(jù)麥克斯韋方程組，確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B如式（1）所示：

式中：σ為電導(dǎo)率，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為相對磁導(dǎo)率，A為矢量磁位，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場強(qiáng)度，Je為外部電流密度，N為線圈匝數(shù)，Sw為繞組截面積，I為繞組電流。

根據(jù)麥克斯韋張量方程組，確定介質(zhì)交界面上的電磁力的法向與切力如式（2）所示：

式中：B1n、B1t、μ1、B2n、B2t、μ2分別為介質(zhì)1和介質(zhì)2的磁感應(yīng)強(qiáng)度法向分量、切向分量和磁導(dǎo)率。

通過公式（1）與公式（2）可知，電磁力F∝B2∝I2，電磁力變化基頻為兩倍的電流基頻，即100Hz。

2.2 變壓器磁致伸縮振動機(jī)理

鐵磁材料普遍存在磁致伸縮效應(yīng)，它是鐵磁材料在磁化過程中晶格發(fā)生形變的宏觀響應(yīng)，是一種磁力耦合現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)導(dǎo)致的變形量只有微米級，但對于變壓器的振動影響遠(yuǎn)大于線圈與鐵芯之間的電磁力，是造成變壓器本體振動的主要原因。磁致伸縮的本構(gòu)方程[8-9]見式（3）所示：

式中：εme為磁致伸縮應(yīng)變；λs為飽和磁致伸縮變形率；MS為飽和磁化強(qiáng)度；M為磁化強(qiáng)度。

通過磁化模型計(jì)算磁場強(qiáng)度M，見式（4）所示：

式中：Heあ為有效磁場強(qiáng)度，L為朗之萬方程，χm為初始磁化率，μ0為真空磁導(dǎo)率，Sed為偏應(yīng)力張量，H為磁場強(qiáng)度。

3 微波爐振動噪音傳遞路徑分析

針對微波爐振動噪音改善時，首先要確定噪音源在各傳遞路徑對整機(jī)噪音的貢獻(xiàn)量。通常情況下，變壓器電磁激勵噪音與變壓器振動噪音是耦合的，需要通過設(shè)置隔離或斷開試驗(yàn)確定各條路徑上的振動噪音貢獻(xiàn)量。根據(jù)變壓器電磁振動噪音產(chǎn)生機(jī)理，可以將傳遞路徑分為如圖1所示的五條主要路徑。

以某型號微波爐為例，通過采用隔離、斷開、更換材料導(dǎo)磁特性等方式，評估各路徑對整機(jī)振動噪音貢獻(xiàn)量，如表1所示。采用國標(biāo)GB/T 4214.1-2017《家用和類似用途電器噪聲測試方法》測試微波爐噪音聲功率。

隨著家電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的緊湊化和小型化設(shè)計(jì)趨勢，由變壓器電磁激勵引起路徑1與路徑2上的振動傳遞對整機(jī)的振動噪音貢獻(xiàn)量最大；而由變壓器磁致伸縮振動在路徑4上的傳遞對整機(jī)影響次之。因此在微波爐產(chǎn)品新品開發(fā)階段，優(yōu)先考慮降低路徑1與路徑2上的振動傳遞影響，確保達(dá)成微波爐整機(jī)降噪設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖1 微波爐電磁振動噪音傳遞路徑

表1 不同路徑振動傳遞對微波爐整機(jī)振動噪音貢獻(xiàn)量

4 微波爐電磁振動噪聲控制

變壓器作為微波爐電磁振動噪聲的主要聲源，其自身并不直接產(chǎn)生噪音，而是主要通過電磁場與自身振動影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)生噪音。因此微波爐振動噪聲控制，應(yīng)遵循激勵源（變壓器）→路徑（空氣漏磁磁場和變壓安裝結(jié)構(gòu)）→振動響應(yīng)（鈑金結(jié)構(gòu)）的降噪思路進(jìn)項(xiàng)噪聲控制設(shè)計(jì)。

圖2 相等距離下，變壓器與結(jié)構(gòu)的磁場分布

圖3 側(cè)板結(jié)構(gòu)所受的電磁力

4.1 變壓器電磁場優(yōu)化設(shè)計(jì)

由變壓器產(chǎn)生的電磁振動機(jī)理可知，變壓器對微波爐結(jié)構(gòu)的電磁激勵力決定變壓器在空氣中的漏磁磁場強(qiáng)度。因此，變壓器電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)為降低變壓器在空氣中的漏磁磁場，而空氣中的漏磁磁場強(qiáng)度又取決于變壓器鐵芯的磁飽和強(qiáng)度與漏磁疊片內(nèi)的磁場強(qiáng)度。

4.1.1 合理設(shè)計(jì)變壓器工作磁密

合理設(shè)計(jì)變壓器工作時鐵芯的最大飽和磁通密度，較低的工作磁密能夠有效降低變壓器本體的磁致伸縮振動，并降低變壓器在空氣中的漏磁磁場強(qiáng)度?？刹捎迷龃蠊桎撈叽缗c體積、選用磁飽和強(qiáng)度更高的硅鋼片型號、優(yōu)化硅鋼片形狀、變壓器與微波爐功率匹配性方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。據(jù)相關(guān)研究證明[1]：變壓器工作飽和磁密由2.0T降至1.9T時，微波爐側(cè)板與內(nèi)腔結(jié)構(gòu)電磁振動顯著降低，其整機(jī)振動噪音降低3dB(A)。

4.1.2 優(yōu)化漏磁支路的分流效果

優(yōu)化漏磁支路的電磁場分布提升漏磁支路的分流作用亦能夠有效降低變壓器漏磁磁場在空氣中的分布。其主要手段與優(yōu)化變壓器鐵芯內(nèi)磁場分布的方法相同，即增大漏磁支路對主磁路的分流作用。

4.2 電磁激勵與振動傳遞優(yōu)化

微波爐電磁振動噪音傳遞路徑上控制可從降低結(jié)構(gòu)位置處的磁場強(qiáng)度、優(yōu)化變壓器與結(jié)構(gòu)之間隔振效率兩個方面進(jìn)行研究。

4.2.1 改變結(jié)構(gòu)位置處電磁場強(qiáng)度

微波爐鈑金結(jié)構(gòu)所受的電磁力主要由結(jié)構(gòu)所在位置的磁場強(qiáng)度決定。通過改變結(jié)構(gòu)位置處的磁場分布，即可實(shí)現(xiàn)降低電磁激勵的目的。常用控制方法有：

（1）增大變壓器與結(jié)構(gòu)之間的相對距離。有研究表明：隨著變壓器與結(jié)構(gòu)之間的距離越大，電磁激勵引起的振動越小，且振動降低的梯度逐漸降低，存在較優(yōu)的距離選擇點(diǎn)。

（2）隔磁板或隔磁罩。在變壓器與結(jié)構(gòu)之間設(shè)置由導(dǎo)磁性材料構(gòu)成的隔磁板，通過吸收漏磁磁場，實(shí)現(xiàn)降低微波爐鈑金結(jié)構(gòu)所受的電磁力大小。通過理論與仿真計(jì)算證明：隔磁板距離變壓器越遠(yuǎn)、離結(jié)構(gòu)越近的情況下，隔磁效果越好[1]。然而實(shí)際應(yīng)用中，隔磁板本身在交變磁場的作用下也會產(chǎn)生振動噪聲問題，通常情況下，需配合阻尼材料使用，來達(dá)到較為理想的降噪效果。

表2 某型微波爐電磁振動噪聲控制方案設(shè)計(jì)

（3）改變變壓器與鈑金結(jié)構(gòu)之間的相對位置。利用漏感變壓器周圍電磁場分布不對稱性，改變結(jié)構(gòu)與變壓器之間的相對位置，實(shí)現(xiàn)增大變壓器與結(jié)構(gòu)之間的相對距離。仿真計(jì)算表明：在變壓器四個方向相等距離處，布置相同的鈑金結(jié)構(gòu)，其受到的電磁力為：兩側(cè)電磁力≥初級線圈側(cè)電磁力≥次級線圈側(cè)電磁力，見圖2、圖3所示；通過改變變壓器相對位置方向，改變鈑金結(jié)構(gòu)所受電磁力分布，從而降低鈑金結(jié)構(gòu)的振動噪音輻射。

4.2.2 振動傳遞優(yōu)化

結(jié)構(gòu)振動傳遞主要發(fā)生在變壓器自身磁致伸縮振動通過安裝結(jié)構(gòu)傳遞，以及鈑金結(jié)構(gòu)之間的振動傳遞。通常情況下，變壓器通過螺絲直接固定在微波爐底板上，導(dǎo)致變壓器自身的磁致伸縮振動與變壓器對底板的電磁激勵振動相互耦合。因此，優(yōu)先考慮在變壓器與底板之間進(jìn)行隔振優(yōu)化設(shè)計(jì)；而鈑金結(jié)構(gòu)之間的振動傳遞次之。

4.3 鈑金結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)優(yōu)化

從公式（1）、（2）可知，變壓器對微波爐鈑金結(jié)構(gòu)的電磁力頻率主要為100Hz及其倍頻。因此，降低微波爐鈑金結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，首先應(yīng)避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)固有頻率盡量遠(yuǎn)離電磁力頻率。其次，改善鈑金結(jié)構(gòu)的阻尼特性，即增加阻尼層。阻尼層位置優(yōu)選變壓器向側(cè)板的投影位置，最大化降低電磁力對結(jié)構(gòu)振動影響。最后，更改結(jié)構(gòu)導(dǎo)磁特性，鈑金結(jié)構(gòu)采用弱導(dǎo)磁性材料或非導(dǎo)磁材料代替，例如不銹鋼、塑料等。

4.4 微波爐電磁振動噪聲控制驗(yàn)證

采用上述噪聲控制思路與方法，針對某型普通微波爐產(chǎn)品開展噪聲控制設(shè)計(jì)。首先，考慮變壓器的漏磁磁場分布，采用變壓器垂直90度方案（即圖2所示，變壓器水平放置改為垂直放置）增大變壓器與側(cè)板和內(nèi)腔之間的距離，同時改善側(cè)板所受的電磁力大小，整機(jī)降噪效果4dB；其次，優(yōu)化變壓器與外罩和內(nèi)腔之間的相對距離，整機(jī)降噪效果1dB；再次，改善鈑金結(jié)構(gòu)與阻尼分布，降低振動響應(yīng)，其整機(jī)改善效果可降低3dB左右；最后，考慮變壓器自身振動對底板與整機(jī)振動噪聲影響，采用工字隔振方式，能夠有效降低整機(jī)噪音1dB左右。見表2所示。（本文所述數(shù)據(jù)均根據(jù)國標(biāo)方法實(shí)測后獲得）。

5 結(jié)論

微波爐的電磁振動噪聲控制屬于系統(tǒng)研究性問題，其牽涉變壓器、磁控管、結(jié)構(gòu)三者之間系統(tǒng)匹配性問題。本文著重于變壓器所引起的電磁振動噪聲機(jī)理與控制方法研究。從變壓器優(yōu)化、電磁振動傳遞路徑、結(jié)構(gòu)響應(yīng)優(yōu)化三個方面闡述微波爐電磁振動噪聲控制方法，該理論與方法在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了顯著成效，能夠?yàn)槲⒉t產(chǎn)品的靜音設(shè)計(jì)工作提供建議與指導(dǎo)。