變頻空調(diào)壓縮機電機的振動噪聲優(yōu)化研究

張德金 江波 邱小華

廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 廣東順德 538333

0 引言

隨著國家空調(diào)能效等級要求的不斷提升，變頻壓縮機以其高效特性、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢在市場上的占有率逐年提升。但隨著市場競爭的加劇，在1～3 HP家用空調(diào)領(lǐng)域，分布式繞組變頻電機逐漸被集中式繞組電機取代，雖然集中式繞組電機較分布式繞組電機有更低的成本優(yōu)勢和更高的性價比，但其噪聲問題較分布式變頻電機更為嚴重。隨著人們對家用電器噪聲舒適性的要求越來越高，變頻壓縮機電機的噪聲優(yōu)化愈來愈受到重視[1]。

在噪聲改善上，得益于計算技術(shù)的發(fā)展，有限元+電機優(yōu)化算法+多物理場耦合分析已廣泛應(yīng)用于電機優(yōu)化設(shè)計上[2-3]，但傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化效果變得有限。另一方面，基于磁場調(diào)制原理的新結(jié)構(gòu)電機成為近年研究熱點[4-7]，磁齒輪電機、永磁游標電機、無刷雙饋電機是新原理電機的典型代表，但上述研究的新結(jié)構(gòu)目前主要應(yīng)用于直線電機、風(fēng)力發(fā)電機等，與空壓的傳統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)相結(jié)合的難度大。

本文基于以上的前沿研究與空調(diào)壓縮機的應(yīng)用背景，首先分析指出轉(zhuǎn)子勵磁諧波和定子激磁諧波是導(dǎo)致電磁激振力的主要來源，通過對徑向、切向磁密進行對比分析，發(fā)現(xiàn)徑向力密度是導(dǎo)致壓縮機振動噪聲的主要因素，并通過有限元進行力密度的時空階次分析計算，結(jié)合壓縮機的噪聲頻譜，得出分析電機電磁力的有效計算方法，為后續(xù)壓縮機的噪聲改善提供可靠的分析工具。

1 壓縮機的電磁激勵

根據(jù)麥克斯韋張量法計算作用于定子鐵芯結(jié)構(gòu)的徑向、切向電磁激振力密度為：

式中，br和bt分別為氣隙磁密的徑向和切向分量；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m。

本文所分析的集中式繞組電機定子槽數(shù)Q1=9，轉(zhuǎn)子極對數(shù)p=3，則每極每相槽數(shù)為：

式中，q'和d互質(zhì)。

氣隙磁密中定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的諧波次數(shù)分別為：

式中，ν和u分別為定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的氣隙磁密諧波次數(shù)；m為相數(shù)。再加上定子開槽和轉(zhuǎn)子削弧結(jié)構(gòu)設(shè)計，氣隙磁場中含有非常復(fù)雜的各類諧波。

由于定子諧波和轉(zhuǎn)子諧波相互作用，產(chǎn)生了除基波轉(zhuǎn)矩之外的徑向電磁激振力和切向電磁激振力，切向電磁激振力可以引起轉(zhuǎn)矩波動，而徑向電磁激振力是產(chǎn)生振動噪聲的主要因素。

定轉(zhuǎn)子的氣隙磁密諧波相互作用產(chǎn)生的電磁力波階數(shù)和相應(yīng)的頻率為：

式中，r為力波階數(shù)；fr為力波激振頻率；f為電機電頻率。當(dāng)定子諧波和轉(zhuǎn)子諧波階次較為接近時，可產(chǎn)生力波階次較小的力密度。

2 激振力和壓縮機噪聲頻譜分析

2.1 定轉(zhuǎn)子激勵磁密波形

2.1.1 不考慮磁導(dǎo)影響的磁密波形

在永磁電機中，氣隙主磁場主要通過轉(zhuǎn)子永磁體勵磁，并與定子繞組電流激發(fā)旋轉(zhuǎn)磁場相互反應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩，其中轉(zhuǎn)子勵磁磁密波形和諧波分析如圖1所示，定子激磁磁密波形和諧波分析如圖2所示。

由圖1可知，由轉(zhuǎn)子磁鐵激勵出的氣隙磁場諧波含量主要為1（基波）、3、5……等階次，與解析計算吻合。在轉(zhuǎn)子激勵的磁場中，諧波主要為奇次諧波，與解析計算吻合。

圖1 不考慮磁導(dǎo)的轉(zhuǎn)子勵磁磁密波形和諧波分析

由圖2可知，由定子繞組激勵出的氣隙磁場諧波含量主要為1（基波）、2、4、5……等階次，與解析計算吻合。

圖2 不考慮磁導(dǎo)的定子激磁磁密波形和諧波分析

2.1.2 考慮磁導(dǎo)影響的磁密波形

由于定子的開槽和轉(zhuǎn)子的削弧設(shè)計，導(dǎo)致在氣隙磁場中的磁密諧波引入和磁導(dǎo)因素影響，其對轉(zhuǎn)子勵磁和定子激磁的影響如圖3和圖4所示。

圖4 考慮磁導(dǎo)的定子激磁磁密波形和諧波分析

由圖3可知，在考慮磁導(dǎo)后，轉(zhuǎn)子磁鐵激發(fā)出的氣隙磁密波形中諧波成分與不考慮磁導(dǎo)時不同，增加了偶次諧波，且部分奇次諧波含量被降低。

圖3 考慮磁導(dǎo)的轉(zhuǎn)子勵磁磁密波形和諧波分析

由圖4可知，在考慮磁導(dǎo)后，定子繞組激勵出的氣隙磁密波形中諧波成分與不考慮磁導(dǎo)時較為接近，3的倍數(shù)次諧波幾乎近似于無。

由上述所知，理論解析推導(dǎo)的定轉(zhuǎn)子激勵諧波次數(shù)為不考慮磁導(dǎo)的情形，即不考慮定子開槽和轉(zhuǎn)子的削弧，這與實際情況不符。因此，在進一步分析由諧波交互產(chǎn)生的諧波激振力時，應(yīng)主要考慮磁導(dǎo)的磁密波形分析結(jié)果。

2.2 力密度波形

根據(jù)Ansoft Maxwell仿真計算軟件計算額定工況下的電機氣隙磁密，其中徑向和切向氣隙磁密波形如圖5所示。

由圖5可知，徑向磁密的幅值遠遠大于切向磁密幅值，徑向磁密的幅值可達1.0～1.1 T，而切向磁密的幅值僅0.1 T左右。由公式（1）和（2）可知，徑向激振力密度遠遠大于切向激振力密度，因此，后續(xù)進行力波分析時，僅分析徑向激振力密度。

圖5 運轉(zhuǎn)時電機氣隙徑向和切向磁密

根據(jù)公式（1）對磁密數(shù)據(jù)進行后處理，計算在t=0時刻下的徑向激振力密度，其波形如圖6所示。

由圖6可知，對6極電機空間磁密進行力密度計算后，激振力密度有6個峰值，即可視為有6個周期數(shù)據(jù)，其和轉(zhuǎn)子極數(shù)相對應(yīng)。

圖6 徑向磁密激振力密度空間波形

取氣隙中靠近定子齒的一點，按照時間分量取其徑向、切向磁密分量，并根據(jù)公式（1）計算其激振力密度如圖7所示。由圖7可知，激振力的時間波形上也有6個周期數(shù)據(jù)，同空間波形一致。

圖7 徑向磁密激振力密度時間波形

根據(jù)力波計算，電機氣隙側(cè)力密度在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的時間內(nèi)，空間和時間的維度均有周期性的力密度變化，因此根據(jù)靠近定子內(nèi)徑處整圓的不同時間下的氣隙磁密波形，進行時間和空間的二維傅里葉變換，其時空柱形圖如圖8所示。

由圖8可知，激振力密度的0階和3階的幅值較大，對電機噪聲振動的影響較大，其中0階的力密幅值又遠大于3階，因此后文主要分析0階力密對噪聲頻譜的影響。

圖8 徑向磁密激振力密度時空分布譜圖

2.3 力密度與噪聲頻譜分析

依據(jù)上述理論分析，對新平臺電機開發(fā)過程中的式樣進行激振力密度和壓縮機噪聲頻譜的分析，根據(jù)輔助計算工具Maxwell仿真計算基準和新方案式樣的激振力密度，并進行二維時空傅里葉變換，其各階次的力密度幅值如圖9所示。

圖9 力密度對比

新方案與基準的頻譜如圖10所示，新方案較基準在60 r/s下的1000 Hz和4000 Hz惡化，在90 r/s下的2500 Hz有惡化。在90 r/s下，新方案力密度的2160 Hz、2700 Hz和3240 Hz較基準增加，頻譜對比為2000 Hz～3150 Hz有不同程度惡化。60 r/s下的4000 Hz惡化和3960 Hz下的力密度增加相對應(yīng)，1000 Hz較基準惡化嚴重，但力密度基本一致，推測為泵體的變化帶來的排氣噪聲惡化。

綜上所述，理論仿真分析的力密度變化與壓縮機噪聲頻譜基本吻合，可以確定該分析過程的正確性和設(shè)計指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

通過對電機激振力的產(chǎn)生機理進行理論推導(dǎo)和分析，結(jié)合Maxwell仿真計算工具得出定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)激磁產(chǎn)生的磁密諧波，并分析其分布特征。氣隙中徑向磁密遠大于切向磁密，所以電機的激振力主要由徑向磁密激發(fā)。由于磁導(dǎo)的激發(fā)分化，氣隙磁場中的徑向磁密諧波含量豐富，定子繞組側(cè)主要有2、3、4、5、8、11等階次諧波；轉(zhuǎn)子側(cè)主要有4、5、7、8、10等階次諧波。

定轉(zhuǎn)子的諧波相互作用產(chǎn)生階次較低的激振力，當(dāng)激振力與零部件固有頻率較為接近時，會激發(fā)出較大的振動響應(yīng)，表現(xiàn)為響應(yīng)頻段的噪聲頻譜惡化。根據(jù)解析推導(dǎo)，激振力的頻率為固定離散的點，從激勵側(cè)盡可能降低激振力或激振力密度是改善噪聲振動的重要手段。通過分析不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下的力密度頻譜和對應(yīng)結(jié)構(gòu)下的噪聲頻譜，驗證了本文所采用分析方法的正確性，為后續(xù)電機沖片設(shè)計和噪聲優(yōu)化提供有效的分析手段和結(jié)構(gòu)借鑒。