變頻磁阻電機(jī)降噪技術(shù)研究

蘭江華

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

隨著電機(jī)的高效率化及低成本化使得電機(jī)噪聲振動(dòng)成了一個(gè)迫切需要解決的問題。文中所述的電機(jī)就是一種結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、成本低、效率高的變頻磁阻電機(jī)。但是由于該類型電機(jī)轉(zhuǎn)子獨(dú)特的內(nèi)嵌式永磁體結(jié)構(gòu)，使其相對于表面磁鐵型SPM及內(nèi)嵌式IPM電機(jī)而言，其主要缺點(diǎn)就是電磁激振力大。因而，很容易造成電機(jī)的噪聲振動(dòng)大。

1 噪聲問題分析

圖1 A、B樣機(jī)空載噪聲聲功率曲線Fig.1 No-load sound power curves of A,B prototype

在跟進(jìn)某變頻磁阻電機(jī)空載噪聲振動(dòng)測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)噪聲特別大，有一種咚咚……的不舒服的聲音。企標(biāo)要求該款電機(jī)空載噪聲≤46 dB(A)，從圖1可知電機(jī)噪聲存在兩個(gè)問題[1]：一是電機(jī)轉(zhuǎn)速在540 r/min以上時(shí)總噪聲開始超標(biāo)，且轉(zhuǎn)速越高超標(biāo)越嚴(yán)重；二是電機(jī)在900 r/min運(yùn)行時(shí)發(fā)生了共振，A樣機(jī)在該轉(zhuǎn)速下總噪聲達(dá)到了58.3 dB，超標(biāo)12.3 dB，是什么原因使電機(jī)噪聲超標(biāo)如此嚴(yán)重？

2 噪聲頻譜分析

從圖2可知電機(jī)在900 r/min運(yùn)行時(shí)，噪聲最嚴(yán)重的峰值頻率主要是363 Hz和10 462 Hz兩個(gè)頻段。

圖3 A樣機(jī)900 r/min運(yùn)行時(shí)噪聲細(xì)分譜Fig.3 Noise segments spectrum of A prototype that run in 900 r/min

2.1 10 462 Hz峰值頻率成因分析

電機(jī)定子12槽、轉(zhuǎn)子8極，極對數(shù)p=4，控制器載波頻率為5.2 kHz。對圖3所示主要峰值頻率進(jìn)行分析。

由：5 200×2+(-5×4×15)=10 100

5 200×2+(-3×4×15)=10 220

可推出下面的計(jì)算公式

式中fgi——所關(guān)注的峰值頻率

fc——控制器載波頻率

fd——電機(jī)電頻率

用圖3中所示各峰值頻率對公式1進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表1，從中可知計(jì)算公式1是合理的。

因此，圖3所示的頻譜現(xiàn)象本質(zhì)上是電機(jī)運(yùn)行過程中控制器載波頻率的2次諧波與電機(jī)的電頻率發(fā)生了調(diào)制現(xiàn)象而形成的噪聲故障譜。事實(shí)上從圖2中也可看出載波頻率的一次諧波與電機(jī)電頻率也發(fā)生了調(diào)制現(xiàn)象，只是故障特征不明顯而已。

表1 對公式1的驗(yàn)證Tab.1 Validation of the formula 1

2.2 363 Hz峰值頻率成因分析

從表2可知電機(jī)A在365 Hz和368 Hz有兩個(gè)固頻。而電機(jī)噪聲第一峰值在363 Hz，因此它應(yīng)該是電機(jī)發(fā)生了共振而形成的。

表2 電機(jī)A樣機(jī)固有頻率Tab.2 The natural frequencies of A motor prototype

對電機(jī)的力波表與力波頻率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3[2]。

表3 電機(jī)力波階數(shù)計(jì)算值Tab.3 Force wave order calculations of motor

式中

q——每級(jí)每相槽數(shù)；

m——相數(shù)；

μ——主級(jí)磁場的諧波極對數(shù)；

v——定子繞組諧波極對數(shù)。

當(dāng)n=μ+v時(shí)

當(dāng)n=μ-v時(shí)

從表3和公式5，6可以計(jì)算出電機(jī)1階齒諧波頻率如表4。

表4 1階齒諧波力波頻率計(jì)算值Tab.4 Force frequency calculations of an order of tooth harmonic

從表4可知電機(jī)1階齒諧波頻率與363 Hz故障無關(guān)，即電機(jī)槽配合與電機(jī)363 Hz的噪聲問題無關(guān)。

由仿真分析結(jié)果知該磁阻電機(jī)含有豐富的5次和7次電流諧波，這些諧波會(huì)使電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生6次脈動(dòng)，900 r/min時(shí)電磁脈動(dòng)頻率計(jì)算如下

該轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率與電機(jī)固有頻率365 Hz非常接近，滿足共振條件。因此，使電機(jī)在900 r/min運(yùn)行時(shí)發(fā)生共振的激勵(lì)源是電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

3 降噪方案

從前文分析可知電機(jī)363 Hz和10 000 Hz兩個(gè)頻段噪聲的激勵(lì)源都是電磁力，響應(yīng)是電機(jī)定子和殼體。所以降噪思路有二：一是解決激勵(lì)源；二是解決響應(yīng)。對于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制可參考文獻(xiàn)[3―5]等提到的方法。

由于文中所述電機(jī)，殼體是直接借用某異步電機(jī)的殼體，該殼體是直筒鐵殼型、兩支撐軸承的跨距較遠(yuǎn)，且電機(jī)有365 Hz和368 Hz兩個(gè)固頻。因此，本文擬采用的降噪方案是：(1)將電機(jī)軸長縮短70 mm，減小支撐軸承之間的跨距；(2)將電機(jī)外殼相應(yīng)的也縮短70 mm，同時(shí)采用加強(qiáng)筋式鋁材外殼，(3)將定轉(zhuǎn)子疊高適當(dāng)降低并相應(yīng)的增大定轉(zhuǎn)子外徑，同時(shí)嚴(yán)格控制定轉(zhuǎn)子裝配工藝，確保定轉(zhuǎn)子氣隙的均勻性。其它參數(shù)保持不變，重新制樣進(jìn)行測試。

從表5可知整改后的電機(jī)在360 Hz附近的固有頻率已消失。另外，在540 Hz以下頻段，新電機(jī)較原電機(jī)單位激勵(lì)力下的加速度響應(yīng)幅值明顯下降，限于篇幅本文未摘錄電機(jī)FRF測試曲線。

表5 整改后電機(jī)C樣機(jī)固有頻率Tab.5 Natural frequencies of C motor renovation prototype

從圖4可知整改后的電機(jī)聲功率普遍下降6-13 dB（A）不等。從圖5（1/3 CPB）可知整改后電機(jī)在900 r/min運(yùn)行時(shí)，噪聲在315 Hz下降了22 dB（A）；400 Hz下降了35 dB（A）；500 Hz下降了25 dB（A）；10 000 Hz下降了6 dB（A），總噪聲下降了13 dB（A）。整改后噪聲完全滿足企標(biāo)要求，降噪效果非常明顯，說明降噪措施是合理有效的。

圖4 整改后樣機(jī)C空載噪聲聲功率曲線Fig.4 No-load sound power curves of C renovation prototype

4 結(jié)語

(1)文中所述磁阻電機(jī)噪聲問題主要體現(xiàn)在363 Hz和10 000 Hz處：前一個(gè)是因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率與電機(jī)固頻吻合發(fā)生共振而形成的；后一個(gè)是由控制器載波頻率的2次諧波與電機(jī)電頻率發(fā)生調(diào)制而形成的；

圖5 900 r/min運(yùn)行時(shí)整改前后樣機(jī)的噪聲譜Fig.5 Noise spectrums of original prototype and renovation prototype that run in 900 r/min

(2)文中所采用的縮短電機(jī)軸承支撐距離提高支撐剛度、適度調(diào)整電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、采用加強(qiáng)筋式殼體結(jié)構(gòu)并且嚴(yán)格控制定轉(zhuǎn)子氣隙的均勻度的降噪措施取得了滿意的降噪效果。

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