吸油煙機(jī)用交流異步電機(jī)電磁噪聲的分析與解決

胡小帝 汪春節(jié) 丁濼火 李碩

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

交流異步電機(jī)具有成本低廉、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，在吸油煙機(jī)上得到廣泛使用。但由于該電機(jī)定、轉(zhuǎn)子上周期變化的徑向電磁力波的作用，容易產(chǎn)生電磁振動(dòng)和噪聲。而吸油煙機(jī)上的電機(jī)一般安裝于薄板結(jié)構(gòu)的蝸殼內(nèi)，用于驅(qū)動(dòng)離心風(fēng)葉，產(chǎn)生吸煙所需的氣流。當(dāng)發(fā)生電磁振動(dòng)時(shí)，容易與薄板發(fā)生共振，并通過蝸殼空腔放大，引起用戶的投訴。另外，電磁噪聲會(huì)同時(shí)夾雜吸油煙機(jī)的氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲，增加了噪聲溯源難度。

多年來，多位科研工作者與工程師，都對交流異步電機(jī)電磁噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、診斷與解決方法進(jìn)行了較深的研究。浙江大學(xué)陳永校、諸自強(qiáng)等人從氣隙中磁導(dǎo)的分布入手，計(jì)算了作用于定子上的電磁力波的大小與頻率，以及輻射出來的聲功率值，并從調(diào)整定轉(zhuǎn)子槽配比，調(diào)整斜槽、繞組等方式改善電磁噪聲[5]。侯宏、滕月慧等人通過聽覺特征分析，提取噪聲頻譜特征，并通過聲學(xué)函數(shù)對多種噪聲進(jìn)行分離，以期達(dá)到噪聲頻譜與聽覺特征對應(yīng)的目的[3]。禹利華、易靈芝等人對比不同槽配比，解決了高功率密度電機(jī)的電磁噪聲[9]。上海大學(xué)鄭江等人通過多物理場仿真平臺(tái)Ansys Workbench搭建電機(jī)多物理場模型，對車用異步電機(jī)電磁力波、結(jié)構(gòu)模態(tài)、聲場進(jìn)行仿真分析，尋找電磁噪聲產(chǎn)生的力波階數(shù)及頻率，并通過優(yōu)化齒槽配比，解決電磁噪聲問題[11]。

電機(jī)行業(yè)對于交流異步電機(jī)的電磁噪聲方面已有較多理論研究，但在吸油煙機(jī)上實(shí)際應(yīng)用，以及多電磁噪聲同時(shí)出現(xiàn)時(shí)的分析、解決研究相對較少。本文將從實(shí)際案例出發(fā)，分析交流異步電機(jī)在吸油煙機(jī)上產(chǎn)生多種電磁噪聲時(shí)的分析、診斷及解決方案。

2 電磁噪聲問題來源

2.1 問題描述

某型號(hào)吸油煙機(jī)在用戶家使用時(shí)出現(xiàn)明顯異音，用戶不可接受。專業(yè)的聽音員反饋能聽到一低一高兩個(gè)異音，需要進(jìn)行分析整改。

2.2 異音頻譜成分確定

將該吸油煙機(jī)按GB/T 17713-2011《吸油煙機(jī)》[2]附錄E規(guī)定的半消聲室要求進(jìn)行懸掛，在轉(zhuǎn)速為850 r/min時(shí)，噪聲測試頻譜如圖1所示。

圖1 異常噪聲頻譜圖

通過噪聲頻譜圖發(fā)現(xiàn)，該吸油煙機(jī)在400 Hz、1033 Hz存在異常峰值，其峰值的噪聲值分別為35.23 dB，51.08 dB，平均值為50.77 dB。因此很可能400 Hz、1033 Hz分別對應(yīng)的就是前述的一低一高的兩個(gè)異音。

將采集到的數(shù)字信號(hào)利用MATLAB中聲信號(hào)處理函數(shù)WAVWR ITE和WAVREAD生成聲音文件，然后再將認(rèn)為的故障線譜放大或者濾除處理，生成聲音文件。通過對比處理前后的聲音文件，即可辨別異音產(chǎn)生的頻率。結(jié)果表明，當(dāng)把故障機(jī)數(shù)據(jù)中有400 Hz聲音的線普濾除后，其中較低沉的異音聲消失；當(dāng)加強(qiáng)這些線譜時(shí)異音顯著增強(qiáng)。同理，1033 Hz的頻譜能對應(yīng)較尖銳的異音。

采用突然斷電法測試通電時(shí)和斷電瞬間頻譜對比情況，發(fā)現(xiàn)斷電瞬間400 Hz、1033 Hz的噪聲分量消失。因電磁變化過程比機(jī)械變化過程快，所以斷電瞬間電磁引起的噪聲會(huì)立即消失，而通風(fēng)噪聲、機(jī)械噪聲因慣性來不及下降會(huì)保留一段時(shí)間。因此，可判定該吸油煙機(jī)的異音主要來源于電磁噪聲。

3 交流異步電機(jī)電磁噪聲機(jī)理

交流異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，氣隙中定、轉(zhuǎn)子基波磁場和各次諧波磁場的互相作用，在定、轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面產(chǎn)生隨時(shí)間和空間變化的低次電磁力波，引起定轉(zhuǎn)子的電磁振動(dòng)。這些振動(dòng)引起的噪聲常見的除了與電源頻率成倍數(shù)關(guān)系的“嗡嗡”聲外，多半是一些與轉(zhuǎn)子槽數(shù)成倍數(shù)的齒諧波振動(dòng)噪聲。若振動(dòng)頻率與電機(jī)固頻或蝸殼固頻重疊，則會(huì)進(jìn)一步引起嚴(yán)重的共振噪聲。其中：

（1）與轉(zhuǎn)子槽數(shù)成倍數(shù)的齒諧波引起的力波振動(dòng)頻率為：

式中：k2為轉(zhuǎn)子力波階數(shù)，等于0，1，2，3……；Z2為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，P為電機(jī)的極對數(shù)，S為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，f1為電源頻率，nr為實(shí)際轉(zhuǎn)速。

（2）與電源頻率成倍數(shù)關(guān)系的基波磁場引起的力波振動(dòng)頻率為：

式中：k為階數(shù)，等于0，1，2，3……，f1為電源頻率。

4 吸油煙機(jī)電磁噪聲成因分析

4.1 1033 Hz電磁噪聲分析

4.1.1 電磁噪聲頻率計(jì)算

異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子氣隙磁密存在的主要諧波次數(shù)如下：

式中：λ為定子諧波次數(shù)；μ為轉(zhuǎn)子諧波次數(shù)；P為電機(jī)極對數(shù)；Z2為轉(zhuǎn)子槽數(shù)；k1、k2分別為定子、轉(zhuǎn)子階數(shù)，為±1，±2，±3……

氣隙中定、轉(zhuǎn)子齒諧波相互作用的電磁力波階數(shù)：

本文中吸油煙機(jī)采用的是2對極、齒槽配比為Z1/Z2=24/33的交流電機(jī)，因此，根據(jù)式（4）定子諧波次數(shù)：λ= (6×k1+1)×2=-10，+14，-22，+26，-34，+38，-46，+50，-58，+62，……

根據(jù)式（5），轉(zhuǎn)子諧波次數(shù)：

根據(jù)式（6），可得出齒諧波振動(dòng)力波階數(shù)表。當(dāng)產(chǎn)生電磁力波的磁場諧波次數(shù)較大時(shí)，其磁場幅值較小可以不考慮；而當(dāng)力波階次較大時(shí)，定子的剛性好，振動(dòng)和噪聲的幅值較小，也可以忽略。

因吸油煙機(jī)為小型電機(jī)，這里只列出n小于5的階數(shù)。由表1可知，該齒槽配比會(huì)產(chǎn)生較多低階力波，容易發(fā)生電磁噪聲。如：（λ=-34，μ=+35）、（λ=98，μ=-97）的齒諧波產(chǎn)生階數(shù)為1的力波，（λ=+62，μ=-64）、（λ=-70，μ=-68）產(chǎn)生階數(shù)為2的力波，這里對它們分別進(jìn)行計(jì)算。

表1 槽配比為24/33的振動(dòng)力波階數(shù)表

由式（1）、（2）計(jì)算齒諧波（λ=-34，μ=+35）產(chǎn)生振動(dòng)力波頻率，可知：

對于λ=-34，μ=+35相對應(yīng)的k1=34,k2=1,而n=μ+λ=35-34=1所以

同理，可計(jì)算其他齒諧波導(dǎo)致的1階、2階力波頻率，其中當(dāng)（λ=-70，μ=-68）時(shí)，2階力波產(chǎn)生1035 Hz的振動(dòng)頻率，與所測試的1033 Hz電磁噪聲頻率基本相同，因此可認(rèn)為該故障機(jī)產(chǎn)生的1033 Hz電磁噪聲是由電機(jī)的定轉(zhuǎn)子齒諧波力波所導(dǎo)致。

4.1.2 模態(tài)分析

當(dāng)電機(jī)的齒諧波導(dǎo)致的低階力波頻率與安裝的蝸殼、電機(jī)本體、風(fēng)輪振動(dòng)頻率基本接近時(shí)，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的共振噪聲。

采用力錘法，測試蝸殼、風(fēng)輪、電機(jī)的固有頻率分布如表2所示。

表2 蝸輪、風(fēng)輪、電機(jī)模態(tài)測試

其中蝸殼上存在1032.21 Hz的固有頻率，與電機(jī)齒諧波導(dǎo)致的低階力波頻率1035 Hz基本接近，因此容易發(fā)生共振而產(chǎn)生噪聲。

4.2 400 Hz電磁異音分析

吸油煙機(jī)普遍采用電容轉(zhuǎn)動(dòng)小功率單相交流4極電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，會(huì)對電機(jī)磁場發(fā)生4次切割，若供電電源頻率為50 Hz，則產(chǎn)生以200 Hz為基頻的振動(dòng)頻率。而當(dāng)電源有諧波時(shí)，電機(jī)的振動(dòng)會(huì)在原來的基波電流產(chǎn)生的振動(dòng)分量上，又增加因諧波而導(dǎo)致的新分量，使振動(dòng)加劇，使噪聲更加明顯。采用公式（3）進(jìn)行計(jì)算，400 Hz的電磁噪聲剛好與電源頻率成8倍關(guān)系，說明該噪聲與電源頻率及諧波有較大關(guān)聯(lián)。

為證明400 Hz電磁噪聲與電源頻率及諧波之間的關(guān)聯(lián)，采用相同檔位，給吸油煙機(jī)分別輸入50 Hz與60 Hz兩種不同頻率電源，并改變兩種電源中諧波畸變率，測試噪聲峰值頻率及噪聲值。國家標(biāo)準(zhǔn)要求公用電網(wǎng)諧波畸變率范圍小于5%，全國家庭平均諧波畸變率為1%～2%，因此此次測試采用2%、4%、6%三種諧波畸變率，測試數(shù)據(jù)如表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所示。

表3 50 Hz、60 Hz電源頻率電磁噪聲情況

從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

（1）當(dāng)電源頻率由50 Hz變?yōu)?0 Hz時(shí)，噪聲頻率變?yōu)?0的6倍、8倍關(guān)系，400 Hz的噪聲頻譜跟電源的頻率成明顯的倍數(shù)關(guān)系。

（2）諧波畸變率越高，噪聲峰值越高，噪聲值的大小與諧波畸變率呈顯著正相關(guān)。

采用諧波儀測得該發(fā)生故障的用戶家電源諧波畸變率為4.1%，噪聲測試房電源諧波率畸變?yōu)?.1%左右，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)小于5%的范圍，但高于全國家庭平均值。

從上述分析可知，出現(xiàn)故障的用戶4.1%的諧波畸變率會(huì)產(chǎn)生47.2 dB以上的噪聲，容易被聽覺敏感的用戶感知。而全國家庭平均諧波畸變率為1%～2%，產(chǎn)生的噪聲小于35.3 dB，在相對嘈雜的廚房環(huán)境，該400 Hz噪聲是難以感知的。但如果用戶附近有大型工業(yè)基地，或用戶家中有較多大功率家電同時(shí)使用時(shí)，會(huì)使電網(wǎng)感性負(fù)載增加，電源諧波畸變率增加，可能使畸變率達(dá)到4%及以上。因此，為避免用戶投訴，需對該問題進(jìn)行整改。

5 電磁噪聲的解決

5.1 定、轉(zhuǎn)子齒諧波引起的電磁噪聲解決

通過4.1分析可知，該電磁噪聲主要是因齒諧波引起的力波頻率與蝸殼固頻接近，從而導(dǎo)致共振。為了解決這個(gè)問題，可通過改變蝸殼的固頻或電機(jī)齒諧波力波頻率，讓兩者盡量錯(cuò)開，避免發(fā)生共振。

蝸殼上增加加強(qiáng)筋或在共振區(qū)域增加緊固連接的方法可改變蝸殼固有頻率。但該蝸殼有多款量產(chǎn)機(jī)型通用，改變固頻可能會(huì)讓其他量產(chǎn)機(jī)型出現(xiàn)異常，協(xié)調(diào)難度大，所以此次不對蝸殼固頻進(jìn)行調(diào)整，而嘗試采用改變電機(jī)齒諧波力波頻率的方式進(jìn)行整改。

從公式（1）可知，通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速n或者電機(jī)轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z2均可改變電機(jī)齒諧波力波頻率，但由于目前電機(jī)轉(zhuǎn)速n涉及整機(jī)性能標(biāo)稱，不便調(diào)整。因此此次嘗試從電機(jī)轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z2上進(jìn)行改善，即改變電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子槽配比?，F(xiàn)有電機(jī)的槽配比為Z1/Z2=24/33，因遠(yuǎn)槽配合有利于改善噪聲，所以嘗試將槽配比改為Z1/Z2=24/36，并按上述公式（4）、（5）、（6）代入驗(yàn)算，可得齒諧波力波階數(shù)表，如表4所示。

表4 槽配比為24/36的振動(dòng)力波階數(shù)表

從表4中可知，將槽配比改為Z1/Z2=24/36后，振動(dòng)力波階數(shù)表的最低階數(shù)變?yōu)?階，大大提升共振階數(shù)，增加共振難度。

階數(shù)為4時(shí)對應(yīng)的定轉(zhuǎn)子力波階數(shù)為（λ=-34，μ=38），(λ=38，μ=-34)，(λ=-70，μ=74)，(λ=74，μ=-70)，均對應(yīng)了n=μ+λ=4，因此選擇將此時(shí)K2=1、2值代入齒諧波振動(dòng)力波頻率公式（2），分別得到f為467.5 Hz、935 Hz，遠(yuǎn)離了1033 Hz的共振發(fā)生區(qū)，也不與其他固頻接近。

將整改后電機(jī)安裝在整機(jī)上進(jìn)行噪聲頻譜測試如圖2，發(fā)現(xiàn)1033 Hz的噪聲頻譜已經(jīng)消失，但400 Hz的頻譜尖峰仍然存在，說明通過調(diào)整電機(jī)的齒槽配比避開低階力波對改善齒諧波振動(dòng)力波引起的電磁噪聲是有效的。

圖2 調(diào)整齒槽配比后整機(jī)噪聲頻譜

5.2 電源諧波引起的電磁噪聲解決

從4.2分析可知，只要電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)必然會(huì)切割磁場，產(chǎn)生與電源頻率成倍數(shù)的電磁振動(dòng)，因此該振動(dòng)的產(chǎn)生不可避免。但該振動(dòng)并非一定會(huì)產(chǎn)生讓用戶察覺的電磁噪聲。只有在電源質(zhì)量、電機(jī)制造工藝或整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面綜合存在問題時(shí)，才容易產(chǎn)生該電磁噪聲。而一般用戶無法控制電網(wǎng)輸入的質(zhì)量，因此只能從電機(jī)制造工藝、吸油煙機(jī)本身的電控或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)入手進(jìn)行解決。

對于電機(jī)制造工藝，需要廠商控制加工和裝配工藝，確保電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子的加工、裝配偏心盡量小，定、轉(zhuǎn)子鐵芯的磁導(dǎo)盡量保證均勻，減少磁場不均帶來的振動(dòng)力波。

對于電控系統(tǒng)的解決，可在控制器上增加電容、電感等電路進(jìn)行濾波，讓電源呈現(xiàn)較光滑的正弦波。但該方式會(huì)極大增加控制器的成本，其增加的成本甚至與電機(jī)價(jià)格相當(dāng)，性價(jià)比非常低，因此不宜從電控系統(tǒng)方向解決，轉(zhuǎn)而嘗試在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上進(jìn)行優(yōu)化。

吸油煙機(jī)的電機(jī)通過螺釘直接固定在蝸殼上，而蝸殼通常由薄板件制成。為了避免電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)直接傳遞到蝸殼上產(chǎn)生共振，通常會(huì)在電機(jī)與蝸殼之間增加橡膠平墊進(jìn)行減振，如圖3所示。

圖3 橡膠平墊裝配圖

這種橡膠平墊有接觸面積過大，減振效果有限，且存在未對螺釘進(jìn)行隔絕，電機(jī)的振動(dòng)可通過螺釘傳遞到蝸殼上等缺陷。因此，需要對橡膠墊進(jìn)行優(yōu)化：

（1）為了減少膠墊的接觸面積，將橡膠平墊采用4個(gè)如圖4所示的工字型膠墊代替。該工字型膠墊只在螺釘區(qū)域跟電機(jī)、蝸殼接觸，其他部位均不接觸。另外為了進(jìn)一步減少膠墊的接觸面積，將該膠墊上下表面設(shè)計(jì)為凸點(diǎn)，最大限度降低振動(dòng)傳遞的能量值。

圖4 工字型膠墊

（2）為了隔絕螺釘，工字型膠墊中心設(shè)計(jì)成螺釘過孔，上表面與螺釘固定面接觸，下表面與蝸殼固定面接觸，中部帶凹槽可卡在電機(jī)的U型孔中，如圖5所示，從而讓電機(jī)、蝸殼、螺釘均相互隔離。

圖5 工字型膠墊裝配圖

將該膠墊裝配在吸油煙機(jī)上，在諧波畸變率為2%的市電下及諧波畸變率為4%的電源下進(jìn)行噪聲頻譜測試，測試結(jié)果如圖6所示。測試結(jié)果與圖3橡膠平墊對比，發(fā)現(xiàn)400 Hz的異常峰值消失，噪聲值從60.6 dB分別降低到60.04 dB與59.91 dB。

圖6 采用工字型膠墊后的噪聲頻譜

優(yōu)化后的方案經(jīng)聽音員辨聽，已經(jīng)無法聽到明顯的異音。說明優(yōu)化后的工字型膠墊，能顯著改善電源諧波帶來的電磁噪聲問題。上述整改方案成本低廉，實(shí)際應(yīng)用于大批量生產(chǎn)中，基本穩(wěn)定解決了400 Hz電磁噪聲問題。

6 結(jié)論

（1）交流異步電機(jī)產(chǎn)生的電磁噪聲成因復(fù)雜，但常見的是與轉(zhuǎn)子槽數(shù)成倍數(shù)關(guān)系，由齒諧波引起的電磁噪聲，以及與電源頻率成倍數(shù)關(guān)系，由電源諧波引起的電磁噪聲。

（2）對于電磁噪聲的鑒別可以通過頻譜測試、MATLAB聲信號(hào)處理函數(shù)處理、突然斷電法、力波分析等方式進(jìn)行鑒別。

（3）定轉(zhuǎn)子齒槽配比的優(yōu)化是解決齒諧波力波引起的電磁噪聲的有效手段之一。

（4）工字型膠墊隔絕振動(dòng)效果良好，在解決吸油煙機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲、優(yōu)化音質(zhì)方面效果顯著，成本低廉，值得推廣。