风管机100 Hz异常噪声机理研究

夏 凯

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

风管机作为一拖一式空调器，多采用暗藏式安装，具有美观大气、节约空间的特点，广泛应用于家庭、酒店和办公室等场所。风管机的噪声水平直接关系到用户体验，在设计阶段应严加控制。一方面，应做好风机系统中风叶、电机转轴、联轴器等旋转结构的动平衡设计，以避免壳体振动过大导致的螺钉松动及碰响问题[1]；另一方面，对于直流风管的高频噪声问题，应从电机结构优化角度加以分析解决[2]，对于交流风管机，应特别注意100 Hz峰值异常噪声问题，从电机、风管机壳体[3]、风叶[4]等结构加以优化解决。本文针对某型交流风管式室内机评审测试时出现的显著100 Hz异常噪声问题，从动力源和传递路径两个层面分析，确定问题产生原因及解决方案。

1 风管机电机振动和噪声研究

1.1 问题描述

某型交流风管机搭配的电机为FG**H单相电容运转异步电机，电源频率为50 Hz，该电机搭配的电容值为3 μF，包含SL、L、M、H四个档位，分别为超低档、低档、中档和高档，记该电机为FG**H-3μF。嗡嗡声噪声问题在超低档时表现尤为明显，同时电机振感强烈，通过噪声频谱分析可知该问题主要由100 Hz峰值噪声过大引起，噪声总值与100 Hz峰值噪声之差仅有10.3 dB。

1.2 电机振动特性分析

将机组水平放置（与实际安装一致），打紧卡箍，选择电机壳体中部、端部共3个测点（记为右、中、左），如图1所示，测试3个测点处的三向（切向、径向和轴向）振动加速度，积分提取振动速度，最终振动速度取三个测点的平均值。

图1 振动测点示意图

初步测试分析可知，电机带载时切向振动远大于轴向、径向振动，因此这里仅对切线振动速度进行分析。电机切向振动速度数据见表1，可以看出100 Hz峰值占主导，与噪声频率异常点一致，可以初步判定100 Hz峰值噪声是由100 Hz峰值振动直接相关。

表1 电机切向振动速度（mm/s）

基于“从源头控制”的思想，尝试先着手从电机这一动力源来分析问题的成因，为解决噪声问题提供思路和有效方案。从电机噪声振动理论可知，单相异步电机2倍电源频率（100 Hz）切向振动是由电机正序磁场、逆序磁场相关作用引起的。对于单相电容运转异步电机，副绕组支路串联电容，一直接入电源工作，副绕组电流相位超前主绕组电流，选择合适的电容可以使旋转磁场接近于圆形，有利于改善振动噪声[5]。为此，改变FG**H的搭配电容，考查整机噪声变化情况。

1.3 电机电容对风管机噪声和电机振动的影响分析

表2给出了搭配几种电容下风管机噪声总值和100Hz峰值噪声，可以看出随着电容的增大，噪声总值成增大趋势，而100 Hz峰值噪声先减小后增大，存在极小值，噪声总值与100 Hz峰值差也呈先增大后减小的趋势。电容取4.5 μF或5.0 μF时，风管机声品质有明显改善，但仍能听到轻微嗡嗡声，未能彻底解决问题，这说明FG**H电机本体或传递路径上存在优化空间。从成本方面考虑，优化电机本体可行性低。采用类似于FG**H电机的电容设置方法，发现选用FG**F电机搭配3.5 μF电容时，风管机所有风档下异常噪声消失，可有效解决问题。

表2 电机电容对风管机噪声的影响

2 传递路径研究

2.1 风机隔振系统分析

电机载荷通过隔振胶圈和电机支架向壳体传递，力传递率可表示为[6]：

式中：

Ft—电机载荷；

F0—电机支架响应载荷；

ζ—隔振胶圈阻尼比；

λ—激励频率与隔振系统固有频率之比。

由公式（1）我们知道，为了达到理想的隔振效果，隔振系统的固有频率应远离激励频率，以避免共振带来的噪声振动问题。工程实际应用中，一般设计隔振系统的固有频率小于激励频率的0.8倍或大于激励频率的1.2倍。对于本例而言，有必要分析电机-减振胶圈隔振系统的固有频率，排除共振的影响。

应用LMS Test.Lab噪声振动测试仪，采用锤击法开展模态试验，振动加速度测点布置在电机壳体中部，敲击点选择在电机壳体切向，获取不同状态下模态频率，见表3。可见，FG**F和FG**H电机隔振系统固有频率均远离100 Hz切向激励频率，排除了共振的可能。而FG**F电机隔振系统明显低于FG**H，说明前者隔振效果优于后者。此外，从表3还可以看出，风叶对电机隔振系统固有频率影响很小，电机卡箍会明显增大电机隔振系统的固有频率。综合来看，电机隔振系统设计良好，不是本案中风管机100 Hz异常噪声的诱因。

表3 电机隔振系统固有频率（Hz）

2.2 电机转子和风管机壳体分析

采用同样的方法，对电机转子系统和风管机壳体开展模态试验。其中，FG**H电机转子系统的模态测试结果显示，转子系统前两阶模态频率为82 Hz和122 Hz，均远离100 Hz激励频率，转子系统不会发生共振，因而可排除转子系统对风管机异常噪声的贡献。

风管机上盖板、下盖板、蜗壳均存在100 Hz附近的固有频率，其中上盖板96 Hz，下盖板101 Hz，蜗壳97 Hz和107 Hz，均有可能在电机振动激励下发生共振。但是，壳体面积大、壁薄，低频段的固有频率密集，很容易落入（100±10）Hz范围内，从结构设计上难以控制，因此仍建议采用更换电机优选搭配电容的方案从源头上加以解决。

3 结论

针对某型风管机100 Hz嗡嗡声问题，开展噪声试验、振动试验和模态试验研究，分析了风管机音质与电机振动的关系，研究了异常噪声形成机理。主要结论如下：

1）100 Hz峰值噪声主要为电机的切向振动激励引起的壳体共振辐射噪声，且在低风档时由于气动噪声较小，异常噪音尤其突出。

2）随着电机电容的增加，各档的转速提高，相应的噪声总值也随之增加，100 Hz峰值噪声先减小后增大。电容不变时，风机转速越高，噪声总值和100 Hz峰值噪声也越大，而转速增加带来的气动噪声增加量大于峰值噪声增加量。

3）风机电机隔振系统设计避开了100 Hz激励频率，不是风管机异常噪声的诱因。