空调室外机高频噪声问题分析及优化.pdf

1852023中国家电科技年会论文集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（简称PWM）对电机进行控制，在电流转化的过程中会出现信号调制，产生大量高次谐波，从而导致较大的高频噪声。对于高频噪声来说，国内外基本从变频控制器和电机本体两方面进行研究。谭书鹏通过增大载波频率及加强压缩机壳体上腔体刚度，实现了高频振动与噪声的抑制3。邱子桢基于周期谐波扩频调制技术，对常规空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术所引入的边带谐波成分与高频声振响应进行抑制与优化研究4。汤蕴璆等对感应电机内电磁场及电磁力波产生的原因在理论上进行了定性分析，极大推动了相关问题的研究5-7。庞勇勇等系统阐述了载波频率增大带来的利与弊，为合理选取载波频率提供指导8-9。但对于多个载波频率作用下的空调室外机来说，如何有效抑制高频振动和噪声的作者简介：杨俊涛，硕士学位。研究方向：空调室外机减振降噪设计。地址：广东省中山市南头镇南头大道西59号。E-mail：。空调室外机高频噪声问题分析及优化杨俊涛 高旭 高雪燕 熊军TCL空调器（中山）有限公司 广东中山 528427摘 要：为了解决空调室外机制热压缩机低频运行时高频尖锐声明显的问题。首先，通过振动源识别，确定高频尖锐声产生的机理；其次，通过载波频率的调制，实现了尖锐噪声的改善。研究表明，尖锐高频噪声是由载波频率激励压缩机电机和风机共同导致，载波频谱呈明显倍频程关系；对于压缩机载波（5 kHz）和风机载波（15 kHz）来说，压缩机载波频率的2倍频及风机载波频率的基频对尖锐噪声的贡献量较大；增大载波频率或者压缩机载波频率和风机载波频率错开调制，都能有效减小尖锐高频声。研究结果可为电机高频噪声的抑制提供参考。关键词：高频噪声；载波频率；调制；压缩机；风机Analysis and optimization of high frequency noise of outdoor unit of air conditionerYANG Juntao GAO Xu GAO Xueyan XIONG JunTCL Air Conditioner(Zhongshan)Co.,Ltd.Zhongshan 528427Abstract:In order to solve the problem of high-frequency sharp noise during low-frequency operation of the compressor of air conditioning under heat-pump condition.Firstly,by identifying the vibration source,determine the mechanism of high-frequency sharp sound generation;Secondly,by modulating the carrier frequency,the improvement of sharp noise is achieved.Research has shown that sharp high-frequency noise is caused by the excitation of the compressor and fan by the carrier frequency,and the carrier frequency spectrum exhibits a significant octave relationship.For the compressor carrier frequency(5 kHz)and fan carrier frequency(15 kHz),the second harmonic of the compressor carrier frequency and the fundamental frequency of the fan carrier frequency have a significant contribution to sharp noise.Increasing the carrier frequency or modulating the compressor carrier frequency and fan carrier frequency in a staggered manner can effectively reduce sharp high-frequency sounds.The results of the research can provide a reference for suppressing high-frequency noise in motors.Keywords:High-frequency noise;Carrier frequency;Modulation;Compressor;Fan中图分类号：TB53 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.041186 2023中国家电科技年会论文集工程问题的研究相对较少，需要进一步探讨。变频空调外机包含两个电机：压缩机电机和轴流风扇电机，两者在控制器的调制作用下，会实现转速的改变，但同时带来了高频噪声问题。本文以某室外机为研究对象，分析了高频尖锐声的产生机理，并通过载波频率的调制，找出对高频噪声的影响，为高频振动噪声抑制方面进一步的优化提供了借鉴及参考。1 问题描述某空调室外机运行时，高频尖锐声很突出，尤其表现在制热工况下的低转速（如50 Hz以下）运行下，室外机后侧高频噪声相对明显。即使是在单开风机的状态下，高频尖锐声依然存在。为了检测高频噪声的频谱表现，在室外机的后侧0.5 m处布置一个麦克风，如图1所示。在制热工况（内侧20，外侧7）下，分别测试压缩机40 Hz运行（转速750 r/min）和单开风机（转速750 r/min）两种状态下的噪声值，测试结果如图2所示。可以看出：（1）5 kHz、10 kHz、15 kHz附近存在明显峰值，且为倍频程的关系；（2）在整机和单开风机两种状态下运行，噪声频谱的5 kHz、10 kHz、15 kHz的异常最大峰值相当，即两者的能量相当，与体验相符。综上，高频尖锐噪声在频谱上主要表现在5 kHz、10 kHz和15 kHz。2 机理分析2.1 振动源确认经查，压缩机载波频率和风机载波频率分别为5 kHz和15 kHz，与高频噪声频谱表现一致，说明载波频率是导致高频噪声突出的主要原因。由于空调室外机由两个载波频率组成，需要进一步分析两者对高频噪声的贡献量，以期进行针对性的优化。在压缩机电机位置和风机位置分别布置一个加速度传感器，如图3所示。传声器依旧布置在室外机的后侧0.5 m处。在相同的制热工况下，测试室外机噪声、压缩机电机振动和风机振动，测试结果如图4所示，可以看出：（1）压缩机及风机振动均有5 kHz、10 kHz、15 kHz峰值，说明高频尖锐噪声与压缩机和风机均息息相关，即高频尖锐声由载波频率激励压缩机电机和风机共同导致；（2）压缩机10 kHz和风机5 kHz的振动峰值相对较大，为高频噪声产生的主要贡献源。压缩机振动明显大于风机振动，且风机10 kHz振动峰值很小，说明10 kHz噪声峰值主要由压缩机载波贡献。图2 制热整机及单风机噪声频谱示意图4 整机噪声、压缩机振动、风机振动频谱曲线示意图1 噪声测试麦克风布点示意（后侧0.5 m）a)压缩机壳体电机振动测点 b)风机振动测点图3 振动传感器布点示意 1872023中国家电科技年会论文集2.2 高频噪声峰值计算图4也可以看出，压缩机和风机的高频振动峰值是以载波频率为中心的对称分布，其峰值存在如下规律：（1）（2）式中，fh为峰值，fc为载波频率，f0为基波频率，P为极对数，n为转速，a、b为0、1、2当压缩机40 Hz运行时，压缩机载波频率为5 kHz，压缩机定子为8级12槽，即极对数为4。代入公式计算得，基波频率为160 Hz，故压缩机的高频噪声峰值为5160 Hz，如图5所示。当单风机750 r/min运行时，风机载波频率为15 kHz，电机级数为10，故极对数为5。计算可得，基波频率为62.5 Hz，所以如图6所示，风机的高频噪声峰值为15063 Hz、15125 Hz通过以上两个实例，进一步确定了高频噪声是由压缩机和风机的载波共同作用导致。图5 压缩机载波频率5 kHz左右振动峰值示意 图6 风机载波频率15 kHz左右振动峰值示意3 噪声抑制3.1 载波频率加大高频噪声由载波频率激发压缩机电机和风机共同导致，因此，需要验证载波频率对高频振动与噪声的影响。以压缩机载波频率调制为例，将压缩机的载波频率由5 kHz调制为5.5 kHz，验证这两种不同载波频率对整机噪声和压缩机振动的影响，测点及工况不变，测试结果如图7及表1所示。可以看出，压缩机载波频率加大，对高频振动和噪声可以起到很好的抑制效果，且在中心频率上，频率越高，抑制效果越好。风机载波频率加大，也同压缩机载波频率加大时具有相同的抑制高频振动和噪声的规律，不再赘述。载波频率越高，PWM变频驱动系统输出的控制电压波形越接近正弦波形，电机的高频振动和噪声越小，但系统中谐波含量会增加，脉冲电压会增大，会导致控制系统较大的温升，给结构带来损伤，影响运行可靠性，因此设置合适的载波频率很重要。图7 载波频率对整机噪声及压缩机振动影响（压缩机40 Hz，外风机750 r/min）表1 不同载波频率对整机噪声及压缩机振动数值变化中心频率/Hz噪声均值/dB(A)噪声降幅/%压缩机振动均值/g振动降幅/%5 kHz5.5 kHz5 kHz5.5 kHz5 k25.226-30.070.044310 k30.521.8290.120.037515 k29.28.6710.030.01673.2 压缩机载波与电机载波错开由于压缩机和风机载波分别为5 kHz和15 kHz，且存在倍频关系，导致载波频率引起的压缩机和风机振动和噪声重合叠加，导致高频噪声较突出。为此，需要研究压缩机和风机载波频率错峰调制，对高频振动和噪声的影响。压缩机载波频率维持不变，风机载波频率由15 kHz调制为13 kHz，室外机正面及右侧1 m处分别布置一个传声器，在制热工况（内侧20，外侧-3）下，压缩机40 Hz运行时测得噪声值如图8所示。可以看出，（1）压缩机载波频率5 kHz峰值消失，而风机载波频率1/3倍频（4333 Hz）处出现风机载波的噪声峰值，且幅值不大；（2）压缩机载波频率5 kHz的3倍频（15 kHz）与风机载波13 kHz错开后，两个中心频率附近虽均有对称噪声峰值，但幅值均不大，没有出现异常峰值；（3）由于前期分析的10 kHz噪声峰值主要由压缩机载波导致，此处风机载波贡献量很小（即风机载波调制对10 kHz噪声作用不大），所以此处噪声峰值依旧很大，尤其是表现在右侧，188 2023中国家电科技年会论文集与体验相符（即仍存在高频尖锐声，但有所减小）。综上，压缩机载波与电机载波错开，可以有效抑制高频噪声。4 结论针对家用变频空调室外机高频噪声问题，本文通过噪声和振动测试，诊断出高频噪声产生的根源，并通过载波频率的调制，对高频噪声起到有效抑制，具体可得出结论如下：图8 压缩机载波与电机载波错开后噪声频谱示意图中：外风机810 r/min；蓝色-压缩机载波及其倍频；绿色-风机载波及其倍频（彩色标注可下载论文电子版查看）（1）空调室外机高频噪声是由电机的载波频率导致，具体为压缩机和风机的载波频率共同激励导致，其中压缩机载波频率的2倍频对高频噪声贡献量较大，需重点关注。（2）压缩机载波频率提高，对高频振动和噪声可以起到很好的抑制效果，但载波频率提高过多，会影响空调运行稳定性。因此，需要合理选取载波频率。（3）若压缩机载波频率（及倍频）和风机载波频率（及倍频）重合时，高频噪声越明显，当两者载波频率错开时，对高频噪声可起到一定的抑制效果。参考文献1 马国远.旋转压缩机M.北京:机械工业出版社,2003.2 郑立宇,张奎,徐飞,等.新一级高效变频压缩机创新设计研究J.家电科技,2020(zk):73-76.3 谭书鹏,郭莉娟,叶容君,等.家用变频空调压缩机高频噪声分析与优化J.家电科技,2022(01):48-51.4 邱子桢,陈勇,成海全,等.基于周期谐波扩频调制的永磁同步电机高频边带声振抑制J.电工技术学报,2022(10):2459-2468.5 汤蕴璆.电机内的电磁场M.北京:科学出版社,1998:26-86.6 陈永校,诸自强,应善成.电机噪声的分析和控制M.杭州:浙江大学出版社,1987:35-113.7 诸自强,陈永校,许大中.电机电磁振动辐射的声功率和声场分析J.电工技术学报电工技术学报,1989(01):1-6.8 庞勇勇,唐斌.PWM变频电机轴承电腐蚀原理及抑制技术研究J.防爆电机,2022(06):22-28.9 熊博文.基于变频器SVPWM供电下的高速永磁同步电机铁耗仿真及分析J.机电工程技术,2022(06):162-167.