家用变频空调压缩机高频噪声分析与优化

谭书鹏 郭莉娟 叶容君 张肃

广东美芝制冷设备有限公司 广东佛山 528333

0 引言

家用变频空调压缩机噪声包括机械噪声、电磁噪声和气流噪声三大噪声源，而通常高频噪声是影响整机噪声值的重要因素，也是导致用户听感较差的主要原因之一[1-2]。当前家用变频空调压缩机多数使用脉宽调制技术对电机进行控制，在电流转化的过程中会出现信号调制，从而产生较大的高频噪声。

本文针对家用变频空调压缩机中普遍存在的高频噪声现象，从噪声源产生机理和传递路径进行了研究[3]，建立了变频压缩机高频噪声问题识别方法，提出压缩机高频噪声的优化设计方向，对后续产品设计提供参考。

1 电机高频噪声机理

家用变频空调压缩机的电机驱动多采用交流-直流-交流的方式控制，在直流转化为交流时，采用脉宽调制技术。控制器输出的是一序列的电压脉冲信号，该信号会输入到定子绕组中，通过调节脉冲宽度达到调节电压幅值，通过调节电压脉冲的频率（即载波频率）来改变波形的质量。当载波频率越大，一个周期内脉冲的个数就越多，电流波形的平滑性就越好。基波频率是一个周期内的正弦波波数。在现有压缩机控制中，载波频率是定值[4-5]。

根据已有理论，控制器供电时同步电机产生的主要径向力可以简化为：

式中，v-定子绕组磁动势谐波的阶次，u-转子绕组磁动势谐波的阶次，p-电机极对数，ω0-定子电流基波的角频率，ωu-转子绕组u阶空间谐波的角频率，t-时间，α-坐标系中离原点的角位移，u-同一阶次定子和转子谐波之间的矢量夹角，h-高阶时间谐波的阶次，α-坐标系中离原点的角位移，z1-定子槽数，Bmv-定子磁通密度v谐波的幅值，Bmu-转子磁通密度u谐波的幅值，Ak-定子槽口k阶谐波磁导系数。第一项与第二项为正弦波供电时电机径向力波，第三项与第四项为控制器供电时永磁同步电机特有的径向力波。

控制器供电时，由定子谐波磁动势产生的基波磁场的频率较高，因此它与永磁体磁场相互作用产生的径向力对电机的振动噪声有很大影响。由式（1）第三项可得，h阶时间谐波磁动势产生的定子基波磁场与转子永磁体基波磁场相互作用产生的径向力波频率为：

式中，fh-逆变器输出电流谐波频率，f0-电机的基波电流频率。

对于调制波fh=a1fc±b1f0，有：

由于a1和b1为奇偶互异的正整数，所以式（3）中载波频率和基波频率的系数同时为奇数或同时为偶数。

2 压缩机高频噪声分析

2.1 压缩机高频噪声现象

在90 Hz运行条件下，对某一型号家用变频空调压缩机（图1）进行压缩机单体近场声源定位测试，测试结果如图2所示，发现5000 Hz频段噪声在电机上部壳体区域较大，表明5000 Hz噪声主要来自于压缩机电机上部壳体区域。进一步分析该区域的噪声振动线谱（如图3所示），发现噪声振动峰值频率均为4649 Hz，且振动高达12.66 m/s2。

图1 家用变频空调压缩机结构示意图

图2 压缩机5000 Hz噪声分布特性

图3 电机上部壳体区域噪声振动频谱

2.2 压缩机高频噪声原因分析

家用变频空调压缩机电磁噪声主要由电机产生的电磁场交替变化而引起某些机械部件或空间容积振动产生的噪声，是压缩机高频噪声的主要来源[6-7]。其主要传递路径为：控制器电流进入电机引起磁场的交替变化产生激振力导致定子振动，定子振动通过连接部传递到压缩机壳体，使壳体产生振动从而向外辐射噪声。

图4 家用变频空调压缩机5000 Hz振动传递路径

（1）噪声源分析

上述家用变频空调压缩机所使用的电机为9槽6极同步电机，所采用的逆变器的载波频率为6000 Hz。当压缩机以90 Hz运转时，9槽6极电机基波电流频率为270 Hz，由式（3）可知，当a=1，b=4时，可知其调制波的频率为：

该调制波频率与压缩机电机上部壳体区域噪声峰值频率大小一致，因此，5000 Hz噪声源为逆变器调制波频率与转子永磁体基波磁场频率相互作用产生的径向力波。

（2）传递路径分析

由上述5000 Hz振动传递路分析可知，电机电磁力引起的定子振动通过定子与压缩机壳体的连接部，将振动传递至压缩机壳体上，从而激发壳体结构振动噪声辐射。对比分析压缩机电机部壳体振动与电机上部区域壳体振动，结果如图5所示。

图5 电机部壳体与电机上部区域壳体振动对比

从测试结果上看，电机上部区域壳体的振动较电机部振动明显偏大，表明电机部的高频振动传递至电机上部区域壳体时激发了上部壳体的共振，从而产生了较大的振动噪声。

3 压缩机高频噪声优化设计

3.1 载波频率对高频噪声的影响

前述分析已经明确逆变器调制波频率与转子永磁体基波磁场频率相互作用产生的径向力波是导致5000 Hz频段噪声较大的根源。为了从根源上研究载波频率对5000 Hz频段噪声的影响，通过改变载波频率进行了试验验证，试验分别采用5000 Hz、6000 Hz、7000 Hz和8000 Hz载波频率来驱动变频压缩机，并对比了不同载波频率下的噪声，如图6所示。

图6 不同载波频率下压缩机噪声对比

由不同载波频率下压缩机噪声对比结果可知，随着载波频率不断提高，5000 Hz频段噪声改善明显，其中，载波频率为8000 Hz时，5000 Hz频段噪声下降10 dB(A)以上。

3.2 壳体强度对高频噪声的影响

由于家用变频空调压缩机内部电机上端面距离上壳体较远，因此在二者之间与外部壳体形成了一个较大的空腔区域，导致该区域对应的圆周壳体部位刚性较小，模态频率相对较低，极易引发共振，从而辐射较大的噪声。为了改善家用变频空调压缩机的高频辐射噪声，需提升上述壳体区域刚性，进一步提高共振频率，降低结构共振风险。

（1）方案设计

为了提升电机上部区域壳体刚性，分别通过增设加强隔板和降低壳体高度来实现，具体方案为：①在电机上部空腔区域中部位置增设一个加强隔板（方案一）；②将电机上部空腔区域高度减短（方案二）。两种方案结构示意图如图7所示。

图7 不同方案结构示意图

（2）声辐射仿真计算

声功率是衡量压缩机壳体表面声辐射强度的关键指标，对压缩机整机进行声辐射计算能够初步预测关键频段噪声的改善效果。采用声学仿真软件分别对原方案、方案一和方案二进行了声辐射方案计算[8]，提取了压缩机表面5000 Hz振动分布云图如图8所示。

从仿真计算结果看，原方案5000 Hz振动主要集中在电机上部区域壳体，增设加强隔板（方案一），电机上部区域壳体处5000 Hz振动改善明显；电机上部区域壳体高度减短（方案二），电机上部区域壳体处5000 Hz振动改善明显，且该方案辐射面积较小。

（3）试验验证

为了验证上述改善方案的改善效果，对原方案、方案一和方案二分别进行了压缩机单体噪声测试，结果如图9所示，方案一和方案二在5000 Hz频段噪声分别降低约5.8 dB(A)和6.9 dB(A)。大幅降低5000 Hz频段噪声，为家用变频空调压缩机高频噪声改善提供了理论依据和指导。

4 结论

本文研究了家用变频空调压缩机高频噪声产生机理及其传递路径，并结合旋转式压缩机的结构特性建立了家用变频空调压缩机高频噪声源的识别方法，并得出以下结论：

（1）研究明确了变频压缩机5000 Hz频段噪声主要是逆变器调制波频率与转子永磁体基波磁场频率相互作用产生的径向力波引起定子振动，并通过压缩机壳体共振放大导致。

（2）通过提高载波频率和提升电机上部空腔区域壳体刚度均能