变频磁阻电机降噪技术研究

兰江华

（珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海 519070）

随着电机的高效率化及低成本化使得电机噪声振动成了一个迫切需要解决的问题。文中所述的电机就是一种结构简单、运行可靠、成本低、效率高的变频磁阻电机。但是由于该类型电机转子独特的内嵌式永磁体结构，使其相对于表面磁铁型SPM及内嵌式IPM电机而言，其主要缺点就是电磁激振力大。因而，很容易造成电机的噪声振动大。

1 噪声问题分析

图1 A、B样机空载噪声声功率曲线Fig.1 No-load sound power curves of A,B prototype

在跟进某变频磁阻电机空载噪声振动测试时，发现电机噪声特别大，有一种咚咚……的不舒服的声音。企标要求该款电机空载噪声≤46 dB(A)，从图1可知电机噪声存在两个问题[1]：一是电机转速在540 r/min以上时总噪声开始超标，且转速越高超标越严重；二是电机在900 r/min运行时发生了共振，A样机在该转速下总噪声达到了58.3 dB，超标12.3 dB，是什么原因使电机噪声超标如此严重？

2 噪声频谱分析

从图2可知电机在900 r/min运行时，噪声最严重的峰值频率主要是363 Hz和10 462 Hz两个频段。

图3 A样机900 r/min运行时噪声细分谱Fig.3 Noise segments spectrum of A prototype that run in 900 r/min

2.1 10 462 Hz峰值频率成因分析

电机定子12槽、转子8极，极对数p=4，控制器载波频率为5.2 kHz。对图3所示主要峰值频率进行分析。

由：5 200×2+(-5×4×15)=10 100

5 200×2+(-3×4×15)=10 220

可推出下面的计算公式

式中fgi——所关注的峰值频率

fc——控制器载波频率

fd——电机电频率

用图3中所示各峰值频率对公式1进行验证，结果见表1，从中可知计算公式1是合理的。

因此，图3所示的频谱现象本质上是电机运行过程中控制器载波频率的2次谐波与电机的电频率发生了调制现象而形成的噪声故障谱。事实上从图2中也可看出载波频率的一次谐波与电机电频率也发生了调制现象，只是故障特征不明显而已。

表1 对公式1的验证Tab.1 Validation of the formula 1

2.2 363 Hz峰值频率成因分析

从表2可知电机A在365 Hz和368 Hz有两个固频。而电机噪声第一峰值在363 Hz，因此它应该是电机发生了共振而形成的。

表2 电机A样机固有频率Tab.2 The natural frequencies of A motor prototype

对电机的力波表与力波频率进行计算，结果见表3[2]。

表3 电机力波阶数计算值Tab.3 Force wave order calculations of motor

式中

q——每级每相槽数；

m——相数；

μ——主级磁场的谐波极对数；

v——定子绕组谐波极对数。

当n=μ+v时

当n=μ-v时

从表3和公式5，6可以计算出电机1阶齿谐波频率如表4。

表4 1阶齿谐波力波频率计算值Tab.4 Force frequency calculations of an order of tooth harmonic

从表4可知电机1阶齿谐波频率与363 Hz故障无关，即电机槽配合与电机363 Hz的噪声问题无关。

由仿真分析结果知该磁阻电机含有丰富的5次和7次电流谐波，这些谐波会使电机电磁转矩产生6次脉动，900 r/min时电磁脉动频率计算如下

该转矩脉动频率与电机固有频率365 Hz非常接近，满足共振条件。因此，使电机在900 r/min运行时发生共振的激励源是电磁转矩脉动。

3 降噪方案

从前文分析可知电机363 Hz和10 000 Hz两个频段噪声的激励源都是电磁力，响应是电机定子和壳体。所以降噪思路有二：一是解决激励源；二是解决响应。对于转矩脉动的控制可参考文献[3―5]等提到的方法。

由于文中所述电机，壳体是直接借用某异步电机的壳体，该壳体是直筒铁壳型、两支撑轴承的跨距较远，且电机有365 Hz和368 Hz两个固频。因此，本文拟采用的降噪方案是：(1)将电机轴长缩短70 mm，减小支撑轴承之间的跨距；(2)将电机外壳相应的也缩短70 mm，同时采用加强筋式铝材外壳，(3)将定转子叠高适当降低并相应的增大定转子外径，同时严格控制定转子装配工艺，确保定转子气隙的均匀性。其它参数保持不变，重新制样进行测试。

从表5可知整改后的电机在360 Hz附近的固有频率已消失。另外，在540 Hz以下频段，新电机较原电机单位激励力下的加速度响应幅值明显下降，限于篇幅本文未摘录电机FRF测试曲线。

表5 整改后电机C样机固有频率Tab.5 Natural frequencies of C motor renovation prototype

从图4可知整改后的电机声功率普遍下降6-13 dB（A）不等。从图5（1/3 CPB）可知整改后电机在900 r/min运行时，噪声在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），总噪声下降了13 dB（A）。整改后噪声完全满足企标要求，降噪效果非常明显，说明降噪措施是合理有效的。

图4 整改后样机C空载噪声声功率曲线Fig.4 No-load sound power curves of C renovation prototype

4 结语

(1)文中所述磁阻电机噪声问题主要体现在363 Hz和10 000 Hz处：前一个是因为电机转矩脉动频率与电机固频吻合发生共振而形成的；后一个是由控制器载波频率的2次谐波与电机电频率发生调制而形成的；

图5 900 r/min运行时整改前后样机的噪声谱Fig.5 Noise spectrums of original prototype and renovation prototype that run in 900 r/min

(2)文中所采用的缩短电机轴承支撑距离提高支撑刚度、适度调整电机定转子结构、采用加强筋式壳体结构并且严格控制定转子气隙的均匀度的降噪措施取得了满意的降噪效果。

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