吸油烟机用交流异步电机电磁噪声的分析与解决

胡小帝 汪春节 丁泺火 李硕

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

1 引言

交流异步电机具有成本低廉、稳定可靠的优点，在吸油烟机上得到广泛使用。但由于该电机定、转子上周期变化的径向电磁力波的作用，容易产生电磁振动和噪声。而吸油烟机上的电机一般安装于薄板结构的蜗壳内，用于驱动离心风叶，产生吸烟所需的气流。当发生电磁振动时，容易与薄板发生共振，并通过蜗壳空腔放大，引起用户的投诉。另外，电磁噪声会同时夹杂吸油烟机的气动噪声、机械噪声，增加了噪声溯源难度。

多年来，多位科研工作者与工程师，都对交流异步电机电磁噪声的产生机理、诊断与解决方法进行了较深的研究。浙江大学陈永校、诸自强等人从气隙中磁导的分布入手，计算了作用于定子上的电磁力波的大小与频率，以及辐射出来的声功率值，并从调整定转子槽配比，调整斜槽、绕组等方式改善电磁噪声[5]。侯宏、滕月慧等人通过听觉特征分析，提取噪声频谱特征，并通过声学函数对多种噪声进行分离，以期达到噪声频谱与听觉特征对应的目的[3]。禹利华、易灵芝等人对比不同槽配比，解决了高功率密度电机的电磁噪声[9]。上海大学郑江等人通过多物理场仿真平台Ansys Workbench搭建电机多物理场模型，对车用异步电机电磁力波、结构模态、声场进行仿真分析，寻找电磁噪声产生的力波阶数及频率，并通过优化齿槽配比，解决电磁噪声问题[11]。

电机行业对于交流异步电机的电磁噪声方面已有较多理论研究，但在吸油烟机上实际应用，以及多电磁噪声同时出现时的分析、解决研究相对较少。本文将从实际案例出发，分析交流异步电机在吸油烟机上产生多种电磁噪声时的分析、诊断及解决方案。

2 电磁噪声问题来源

2.1 问题描述

某型号吸油烟机在用户家使用时出现明显异音，用户不可接受。专业的听音员反馈能听到一低一高两个异音，需要进行分析整改。

2.2 异音频谱成分确定

将该吸油烟机按GB/T 17713-2011《吸油烟机》[2]附录E规定的半消声室要求进行悬挂，在转速为850 r/min时，噪声测试频谱如图1所示。

图1 异常噪声频谱图

通过噪声频谱图发现，该吸油烟机在400 Hz、1033 Hz存在异常峰值，其峰值的噪声值分别为35.23 dB，51.08 dB，平均值为50.77 dB。因此很可能400 Hz、1033 Hz分别对应的就是前述的一低一高的两个异音。

将采集到的数字信号利用MATLAB中声信号处理函数WAVWR ITE和WAVREAD生成声音文件，然后再将认为的故障线谱放大或者滤除处理，生成声音文件。通过对比处理前后的声音文件，即可辨别异音产生的频率。结果表明，当把故障机数据中有400 Hz声音的线普滤除后，其中较低沉的异音声消失；当加强这些线谱时异音显著增强。同理，1033 Hz的频谱能对应较尖锐的异音。

采用突然断电法测试通电时和断电瞬间频谱对比情况，发现断电瞬间400 Hz、1033 Hz的噪声分量消失。因电磁变化过程比机械变化过程快，所以断电瞬间电磁引起的噪声会立即消失，而通风噪声、机械噪声因惯性来不及下降会保留一段时间。因此，可判定该吸油烟机的异音主要来源于电磁噪声。

3 交流异步电机电磁噪声机理

交流异步电机运行时，气隙中定、转子基波磁场和各次谐波磁场的互相作用，在定、转子铁心内表面产生随时间和空间变化的低次电磁力波，引起定转子的电磁振动。这些振动引起的噪声常见的除了与电源频率成倍数关系的“嗡嗡”声外，多半是一些与转子槽数成倍数的齿谐波振动噪声。若振动频率与电机固频或蜗壳固频重叠，则会进一步引起严重的共振噪声。其中：

（1）与转子槽数成倍数的齿谐波引起的力波振动频率为：

式中：k2为转子力波阶数，等于0，1，2，3……；Z2为转子齿数，P为电机的极对数，S为电机转差率，f1为电源频率，nr为实际转速。

（2）与电源频率成倍数关系的基波磁场引起的力波振动频率为：

式中：k为阶数，等于0，1，2，3……，f1为电源频率。

4 吸油烟机电磁噪声成因分析

4.1 1033 Hz电磁噪声分析

4.1.1 电磁噪声频率计算

异步电机定、转子气隙磁密存在的主要谐波次数如下：

式中：λ为定子谐波次数；μ为转子谐波次数；P为电机极对数；Z2为转子槽数；k1、k2分别为定子、转子阶数，为±1，±2，±3……

气隙中定、转子齿谐波相互作用的电磁力波阶数：

本文中吸油烟机采用的是2对极、齿槽配比为Z1/Z2=24/33的交流电机，因此，根据式（4）定子谐波次数：λ= (6×k1+1)×2=-10，+14，-22，+26，-34，+38，-46，+50，-58，+62，……

根据式（5），转子谐波次数：

根据式（6），可得出齿谐波振动力波阶数表。当产生电磁力波的磁场谐波次数较大时，其磁场幅值较小可以不考虑；而当力波阶次较大时，定子的刚性好，振动和噪声的幅值较小，也可以忽略。

因吸油烟机为小型电机，这里只列出n小于5的阶数。由表1可知，该齿槽配比会产生较多低阶力波，容易发生电磁噪声。如：（λ=-34，μ=+35）、（λ=98，μ=-97）的齿谐波产生阶数为1的力波，（λ=+62，μ=-64）、（λ=-70，μ=-68）产生阶数为2的力波，这里对它们分别进行计算。

表1 槽配比为24/33的振动力波阶数表

由式（1）、（2）计算齿谐波（λ=-34，μ=+35）产生振动力波频率，可知：

对于λ=-34，μ=+35相对应的k1=34,k2=1,而n=μ+λ=35-34=1所以

同理，可计算其他齿谐波导致的1阶、2阶力波频率，其中当（λ=-70，μ=-68）时，2阶力波产生1035 Hz的振动频率，与所测试的1033 Hz电磁噪声频率基本相同，因此可认为该故障机产生的1033 Hz电磁噪声是由电机的定转子齿谐波力波所导致。

4.1.2 模态分析

当电机的齿谐波导致的低阶力波频率与安装的蜗壳、电机本体、风轮振动频率基本接近时，容易产生严重的共振噪声。

采用力锤法，测试蜗壳、风轮、电机的固有频率分布如表2所示。

表2 蜗轮、风轮、电机模态测试

其中蜗壳上存在1032.21 Hz的固有频率，与电机齿谐波导致的低阶力波频率1035 Hz基本接近，因此容易发生共振而产生噪声。

4.2 400 Hz电磁异音分析

吸油烟机普遍采用电容转动小功率单相交流4极电机，当电机转子每旋转一周，会对电机磁场发生4次切割，若供电电源频率为50 Hz，则产生以200 Hz为基频的振动频率。而当电源有谐波时，电机的振动会在原来的基波电流产生的振动分量上，又增加因谐波而导致的新分量，使振动加剧，使噪声更加明显。采用公式（3）进行计算，400 Hz的电磁噪声刚好与电源频率成8倍关系，说明该噪声与电源频率及谐波有较大关联。

为证明400 Hz电磁噪声与电源频率及谐波之间的关联，采用相同档位，给吸油烟机分别输入50 Hz与60 Hz两种不同频率电源，并改变两种电源中谐波畸变率，测试噪声峰值频率及噪声值。国家标准要求公用电网谐波畸变率范围小于5%，全国家庭平均谐波畸变率为1%～2%，因此此次测试采用2%、4%、6%三种谐波畸变率，测试数据如表3的实验数据所示。

表3 50 Hz、60 Hz电源频率电磁噪声情况

从上述实验数据可知：

（1）当电源频率由50 Hz变为60 Hz时，噪声频率变为60的6倍、8倍关系，400 Hz的噪声频谱跟电源的频率成明显的倍数关系。

（2）谐波畸变率越高，噪声峰值越高，噪声值的大小与谐波畸变率呈显著正相关。

采用谐波仪测得该发生故障的用户家电源谐波畸变率为4.1%，噪声测试房电源谐波率畸变为2.1%左右，均符合国家标准小于5%的范围，但高于全国家庭平均值。

从上述分析可知，出现故障的用户4.1%的谐波畸变率会产生47.2 dB以上的噪声，容易被听觉敏感的用户感知。而全国家庭平均谐波畸变率为1%～2%，产生的噪声小于35.3 dB，在相对嘈杂的厨房环境，该400 Hz噪声是难以感知的。但如果用户附近有大型工业基地，或用户家中有较多大功率家电同时使用时，会使电网感性负载增加，电源谐波畸变率增加，可能使畸变率达到4%及以上。因此，为避免用户投诉，需对该问题进行整改。

5 电磁噪声的解决

5.1 定、转子齿谐波引起的电磁噪声解决

通过4.1分析可知，该电磁噪声主要是因齿谐波引起的力波频率与蜗壳固频接近，从而导致共振。为了解决这个问题，可通过改变蜗壳的固频或电机齿谐波力波频率，让两者尽量错开，避免发生共振。

蜗壳上增加加强筋或在共振区域增加紧固连接的方法可改变蜗壳固有频率。但该蜗壳有多款量产机型通用，改变固频可能会让其他量产机型出现异常，协调难度大，所以此次不对蜗壳固频进行调整，而尝试采用改变电机齿谐波力波频率的方式进行整改。

从公式（1）可知，通过改变电机转速n或者电机转子槽数Z2均可改变电机齿谐波力波频率，但由于目前电机转速n涉及整机性能标称，不便调整。因此此次尝试从电机转子槽数Z2上进行改善，即改变电机的定、转子槽配比。现有电机的槽配比为Z1/Z2=24/33，因远槽配合有利于改善噪声，所以尝试将槽配比改为Z1/Z2=24/36，并按上述公式（4）、（5）、（6）代入验算，可得齿谐波力波阶数表，如表4所示。

表4 槽配比为24/36的振动力波阶数表

从表4中可知，将槽配比改为Z1/Z2=24/36后，振动力波阶数表的最低阶数变为4阶，大大提升共振阶数，增加共振难度。

阶数为4时对应的定转子力波阶数为（λ=-34，μ=38），(λ=38，μ=-34)，(λ=-70，μ=74)，(λ=74，μ=-70)，均对应了n=μ+λ=4，因此选择将此时K2=1、2值代入齿谐波振动力波频率公式（2），分别得到f为467.5 Hz、935 Hz，远离了1033 Hz的共振发生区，也不与其他固频接近。

将整改后电机安装在整机上进行噪声频谱测试如图2，发现1033 Hz的噪声频谱已经消失，但400 Hz的频谱尖峰仍然存在，说明通过调整电机的齿槽配比避开低阶力波对改善齿谐波振动力波引起的电磁噪声是有效的。

图2 调整齿槽配比后整机噪声频谱

5.2 电源谐波引起的电磁噪声解决

从4.2分析可知，只要电机转动必然会切割磁场，产生与电源频率成倍数的电磁振动，因此该振动的产生不可避免。但该振动并非一定会产生让用户察觉的电磁噪声。只有在电源质量、电机制造工艺或整机系统设计方面综合存在问题时，才容易产生该电磁噪声。而一般用户无法控制电网输入的质量，因此只能从电机制造工艺、吸油烟机本身的电控或结构系统入手进行解决。

对于电机制造工艺，需要厂商控制加工和装配工艺，确保电机转子、定子的加工、装配偏心尽量小，定、转子铁芯的磁导尽量保证均匀，减少磁场不均带来的振动力波。

对于电控系统的解决，可在控制器上增加电容、电感等电路进行滤波，让电源呈现较光滑的正弦波。但该方式会极大增加控制器的成本，其增加的成本甚至与电机价格相当，性价比非常低，因此不宜从电控系统方向解决，转而尝试在结构系统上进行优化。

吸油烟机的电机通过螺钉直接固定在蜗壳上，而蜗壳通常由薄板件制成。为了避免电机产生的振动直接传递到蜗壳上产生共振，通常会在电机与蜗壳之间增加橡胶平垫进行减振，如图3所示。

图3 橡胶平垫装配图

这种橡胶平垫有接触面积过大，减振效果有限，且存在未对螺钉进行隔绝，电机的振动可通过螺钉传递到蜗壳上等缺陷。因此，需要对橡胶垫进行优化：

（1）为了减少胶垫的接触面积，将橡胶平垫采用4个如图4所示的工字型胶垫代替。该工字型胶垫只在螺钉区域跟电机、蜗壳接触，其他部位均不接触。另外为了进一步减少胶垫的接触面积，将该胶垫上下表面设计为凸点，最大限度降低振动传递的能量值。

图4 工字型胶垫

（2）为了隔绝螺钉，工字型胶垫中心设计成螺钉过孔，上表面与螺钉固定面接触，下表面与蜗壳固定面接触，中部带凹槽可卡在电机的U型孔中，如图5所示，从而让电机、蜗壳、螺钉均相互隔离。

图5 工字型胶垫装配图

将该胶垫装配在吸油烟机上，在谐波畸变率为2%的市电下及谐波畸变率为4%的电源下进行噪声频谱测试，测试结果如图6所示。测试结果与图3橡胶平垫对比，发现400 Hz的异常峰值消失，噪声值从60.6 dB分别降低到60.04 dB与59.91 dB。

图6 采用工字型胶垫后的噪声频谱

优化后的方案经听音员辨听，已经无法听到明显的异音。说明优化后的工字型胶垫，能显著改善电源谐波带来的电磁噪声问题。上述整改方案成本低廉，实际应用于大批量生产中，基本稳定解决了400 Hz电磁噪声问题。

6 结论

（1）交流异步电机产生的电磁噪声成因复杂，但常见的是与转子槽数成倍数关系，由齿谐波引起的电磁噪声，以及与电源频率成倍数关系，由电源谐波引起的电磁噪声。

（2）对于电磁噪声的鉴别可以通过频谱测试、MATLAB声信号处理函数处理、突然断电法、力波分析等方式进行鉴别。

（3）定转子齿槽配比的优化是解决齿谐波力波引起的电磁噪声的有效手段之一。

（4）工字型胶垫隔绝振动效果良好，在解决吸油烟机产生电磁噪声、优化音质方面效果显著，成本低廉，值得推广。