电源谐波诱发空调电机噪音问题的研究和控制

高 伟，吕锦銮

（珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海 519000）

1 电源谐波诱发电机噪音的分析

1.1 理论分析

1.1.1 谐波的含义

数学（微观）定义：供电系统中，当正弦电压施加非线性电路上时，电流就变成非正弦波（通常所说的电源畸变），将非正弦波经傅立变换成频率为n/T（n=1，2，3……）一系列正弦波分量，n 取1 时（频率为1/T）的分量为基波，n 大于1 的整数倍基波频率的分量称为谐波，n 大于1 时表示谐波次数。

物理（宏观）定义：电网中存在引起电源（正弦波 形）畸变，频率是电源频率整数倍的信号，可以是电流信号也可以是电压信号。图1 中，红色波形是正常电源波形（基波），绿色波形是5 次谐波的波形，黑色波形是“基波+5 次谐波”的波形，明显谐波叠加后电源波形引起畸变。

1.1.2 电源谐波下诱发噪音的原因分析

1.1.2.1 电磁噪声的形成原因

具体以普通异步电机电磁噪声为例，总结电磁噪声的产生机理如下。

（1）电机气隙空间的磁场是一个旋转波，定子和转子磁场相互作用产生的径向力波使转子和定子发生变形和周期性振动，产生噪声。气隙磁场中除基波分量外还有高次谐波分量，高次谐波的径向力波也都分别作用于定子、转子铁心上，加剧了变形及振动。

（2）定子铁心不同阶次的变形有不同的固有频率，当径向力波的频率和铁心的固有频率相等或接近时，会引起“共振”。即便径向力波的波幅不大，也将导致定子铁心变形和周期性振动产生较大的电磁噪音。

图1 正弦波形及谐波

1.1.2.2 电磁噪声产生的机理

电机的电磁噪声就是电磁力作用在定、转子的气隙中产生脉动力波、旋转力波，使定子产生振动而辐射噪声。这类噪声与电机气隙内的谐波磁场及由此产生的电磁力波幅值、频率和极数密切相关。

由电机学知道，电机的气隙磁势可表示为：

其中，f1(θ,t)为基波合成磁势；fv(θ,t)为定子绕组v次谐波磁势；fi(θ,t)为转子绕组μ 次谐波磁势。

当3 组定子绕组每极每相槽数q 为正整数时，定子绕组磁势的谐波次数为：

其中，p 为极对数。

笼型转子磁势的齿谐波次数为：

其中，Z2为转子槽数。

定子和转子任何一对高次谐波相互作用产生的力波数为：

由于气隙磁场等于气隙与气隙磁导的乘积，气隙磁场产生的径向力波为：

其中第一部分是2f1（即2 倍电源频率）的振动，它是电机中主要的振动分量之一。第二部分是由于定、转子间齿谐波相互作用所产生的力波，就单独对电磁噪音来说，它是最核心的影响因素，尤其是在中小型电机中，这些力波一般幅值大、阶数小，且频率分布在人耳的敏感区范围。因此对它们的分析及抑制是电机电磁噪音研究的主要方向[1]。

1.2 试验验证

1.2.1 总谐波畸变率与电机噪音的关系

抽取同一款电机，验证当谐波含量发生变化时对电机噪音的影响，测试结果如表1 所示。从表1 中可知，当电源谐波含量增加时，峰值与总值差呈下降趋势，即噪音越来越明显；当谐波含量超过3%时，峰值与总值差小于13 dB，电机噪音不能接受。

表1 谐波含量与噪音关系

1.2.2 阶次含量与电机噪音的关系

由前面电源谐波评价指标可知，总谐波畸变率、各阶次谐波含量是两种关键指标；而阶次是由偶次、奇次组成，偶次指的是与电源频率成2n 倍关系，奇次指的是与电源频率成（2n+1）倍关系。

章节1.2.1 已经分析出，总谐波畸变率与电机噪音成正相关性，总谐波畸变率是由各阶次谐波含量叠加组成，主要是诱发电机产生2nf 或4nf 电磁噪音。由此引发笔者对“当总谐波畸变率一定的情况下”，各偶次、奇次谐波含量与电机噪音是否也存在一定关系的思考。

因此决定对偶次、奇次谐波含量对电机噪音的关系展开研究。采用偶次、奇次谐波含量分别安排不同谐波含量的输入试验进行验证，结果如表2、表3 所示。每种谐波含量均做3 次实验，数据略。

表2 奇次谐波

1.3 试验结果分析

对这些测试数据正态性检测得出结果。（1）奇次谐波电机噪音水平值，P=0.051 ＞0.05，符合正态关系，并对电机噪音水平及奇次谐波不同含量运用单因子方差分析可以得出，P=0.000（P ＜0.05），奇次谐波对电机噪音有明显显著性影响。

表3 偶次谐波

（2）偶次谐波电机噪音水平值，P ＜0.05，符合非正态关系，采用散点图观察与电机噪音水平的关系（见图2）。

图2 电机噪音水平与偶次谐波含量的散点图

从图2 可知，偶次谐波含量与电机噪音水平相关性不大，即当偶次谐波含量增加时，电机噪音水平没有明显变化趋势。

2 抗谐波电机研究方向

2.1 增大定子铁芯轭厚

电机振动及噪声强度的大小，与电磁力的大小和定子铁芯刚度有关（转子因结构刚度很大，一般不会直接因磁力产生形变而辐射噪音）。根据电机电磁振动经典理论认为：同等励磁，电磁振动与定子铁芯径向尺寸（轭厚）的3 次方成反比，即轭厚越大，振动越小，反之亦然[2]。增大定子铁芯轭厚如图3 所示。

图3 增大定子铁芯轭厚

2.2 正弦同心式绕组方案

电容运转单相异步电机外接电容器，有主副两套绕组，每套绕组一相，流过相电流产生脉振磁场。只要能使每套绕组产生的脉振磁势空间的谐波电流产生的脉振减弱，那么两相绕组合成后的旋转磁势谐波也弱。正弦同心式绕组方式的基波绕组系数和各阶次齿谐波绕组系数相等，其他各次谐波绕组系数都为零。绕组系数为零的各次谐波其谐波磁势幅值也为零，达到了正弦绕组削弱谐波的目的。

2.3 采取T 型绕组并合理设计“安匝比”

电机理想运行状态是圆磁场，这样径向作用铁芯的磁力会减弱。要想获得圆磁场，可从两个方面着手，一个是选择合理的电容器，另外一个是选择合适的主副相匝比（即安匝比）。单相异步电动机调速方式大体上可分为L 型调速（见图4）和T 型调速（见图5）。

图4 L 型调速

图5 T 型调速

L 型调速接法各档位运行匝比不同，变化大，磁场圆度不理想。T 型调速接法的特点如下：当电机处于其他各档运行时，副绕组总匝数都不发生变化，只是主绕组匝数增加，对电机主磁通影响较大，故稍稍调整匝数即可满足各档转速要求。尽管电机处于各档运行时都分别对应不同的匝比，但其差别较L 型接法小得多，运行状态也更接近于圆形磁场。

3 结 论

（1）空调电机倍频电磁噪音的产生与电源中谐波含量有密切关系，且奇次谐波影响更加显著。

（2）通过对测试电源中增加各阶次谐波含量，可有效模拟售后实际电源谐波状态，达到提前掌握电机抗谐波能力的目的。

（3）通过将电机铁心、绕组的设计优化，可有效提高电机本体的抗谐波能力。