滾動轉子式壓縮機轉軸振動仿真及試驗研究
摘要
Abstract
以搭載9槽6極電機的壓縮機為例，研究了變頻壓縮機運行時與電機極數有關的轉軸振動噪聲問題。首先，通過對徑向電磁力分析，明確了壓縮機電機6f徑向電磁力的組成；其次，通過仿真分析和試驗測試的手段對轉軸的振動特性進行分析，進一步指明6f電磁力與轉軸彎曲模態共振是導致轉軸振動噪聲問題的根源；最后，通過對某款變頻壓縮機的轉軸彎曲模態進行仿真分析及優化，降低了轉軸振動噪聲，改善了壓縮機的聲品質。
關鍵詞
Keywords
滾動轉子式壓縮機；轉軸；電機極數；彎曲模態；聲品質
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2023.02.001
0 引言
滾動轉子式壓縮機是家用空調的動力元件，也是其最主要的噪聲源之一。在壓縮機的噪聲中，主要有結構噪聲、氣流噪聲和電機噪聲。近年來，隨著壓縮機電機的高功率密度、小型化發展，電機相關的振動噪聲問題逐漸凸顯出來。劉士興[1]利用Ansoft軟件建立了9槽6極永磁同步電機的有限元模型，并通過對徑向電磁力仿真分析后提出了定子齒削角、轉子不均勻氣隙、提高定子模態頻率、轉子分段斜極等降低振動的優化方案。申秀敏[2]以電動汽車驅動用永磁同步電機為研究對象，從定子表面的電磁力波和定子的結構模態兩方面入手進行分析，得出電機噪聲的產生主要是由于徑向電磁力激起了定子結構的共振。齊冀龍、田彥濤[3]等將壓縮機的負載模型與永磁同步電機驅動系統結合來模擬壓縮機帶負載驅動的情況，并在此基礎上提出了一種減少電機轉矩脈動的方法。綜上，當前關于壓縮機電機噪聲的研究工作主要集中于電磁力的優化計算、定子模態優化與錯頻設計等方向。但是，對由電磁力與壓縮機轉軸之間相互作用產生的振動噪聲問題的研究卻比較少見。
本文以搭載9槽6極電機的壓縮機為例，研究了與電機極數有關的轉軸振動噪聲問題，從機理上解釋了相關噪聲產生的原因，并通過對轉軸彎曲模態進行優化，消除了轉軸振動噪聲，改善了壓縮機聲品質。
1 壓縮機轉軸振動噪聲分析
1.1 現象描述
某搭載9槽6極電機的變頻壓縮機在60 Hz轉速下運行時，其十點法聲功率試驗（圖1）所得噪聲頻譜在315 Hz～400 Hz頻段異常突出，且超出相鄰頻段10 dB以上，結果如圖2所示。
圖1 十點法聲功率試驗
圖2 噪聲信號1/3倍頻程
采用西門子LMS數據采集設備對壓縮機進行單體近場聲源定位測試（如圖3），結果如圖4所示，可以看出315 Hz～400 Hz頻段噪聲主要來自電機部位。進一步分析電機區域的振動噪聲線譜（如圖5～6所示），發現噪聲振動峰值均為360 Hz，與電機轉速和極數的乘積相等。
圖3 近場聲源定位測試
圖4 315 Hz～400 Hz噪聲分布特性
圖5 電機部噪聲頻譜
圖6 電機部振動頻譜
1.2 電機6f徑向電磁力理論分析
對壓縮機電機而言，其徑向電磁力由永磁體磁場、電樞電流磁場及槽結構相互作用而產生。根據麥克斯韋定律可得徑向電磁力波表達式如下[4-6]：
式中，Pn代表單位面積上的徑向電磁力；b1為氣隙基波磁場；bν為定子電樞繞組諧波磁場；bu為轉子諧波磁場；B1為氣隙基波磁場幅值；Bν為定子電樞繞組諧波磁場幅值；Bμ為氣隙均勻情況下轉子諧波磁場幅值；Λ0為氣隙平均磁導；Λk為定子第k次齒諧波磁導；k為齒諧波磁導階數；μ為轉子磁場諧波次數；ν為定子電樞磁場諧波次數；p為極對數；Z1為定子槽數；ω1為電機輸入電頻率；φ0、φν、φμ均為磁場相位角。
將9槽6極電機相關設計參數帶入徑向電磁力表達式，可得其6倍頻徑向電磁力的組成情況如表1所示。
表1 電機6f徑向電磁力
由表1可以看出，9槽6極電機的6倍頻徑向電磁力主要分為6階6倍頻徑向電磁力和3階6倍頻徑向電磁力兩種。
電機的6階6倍頻徑向電磁力由表1中的前三項組成，主要為：（1）基波磁場B1自身相互作用產生，由于基波磁場幅值較大，因此該部分為6階6倍頻電磁力的主要來源；（2）轉子3次諧波磁場與基波磁場共同作用產生；（3）次數相差2的定子諧波磁場之間相互作用會產生6階6倍頻電磁力，但是由于階次較高，對應的力波幅值較小，其產生的影響可以忽略不計。
電機的3階6倍頻徑向電磁力由表1中的后三項組成，主要為：（1）基波磁場與2階諧波磁場相互作用產生，該部分為3階6倍頻徑向電磁力的主要來源。其中2次諧波磁場有兩個來源，一個是定子2次諧波磁動勢與平均氣隙磁導作用產生，另一個是轉子的基波磁動勢與定子1階齒諧波磁導作用產生。（2）轉子3次諧波磁場與定子4階諧波磁場作用產生，該部分徑向力的貢獻相當微小，可以忽略不計。
綜上，電機的6倍頻徑向電磁力通過氣隙磁場作用于壓縮機轉軸，進而引起轉軸的振動噪聲問題。
1.3 轉軸彎曲模態分析
電機模態頻率是電機機械振動設計中的重要參數，在設計中應避免電機的模態頻率與徑向電磁力的頻率一致或接近發生共振[7-8]，從而引發振動噪聲問題。為此，對壓縮機電機的轉軸模態進行有限元仿真及試驗測試，所得結果如圖7～8所示。
圖7 轉軸彎曲模態振型
圖8 轉軸固頻測試結果
通過對比可以發現：壓縮機轉軸在368 Hz（仿真結果：364 Hz）存在1階彎曲模態，這與60 Hz運行頻率下電機的6f徑向電磁力頻率非常接近。因而，初步判斷電機轉軸的6倍頻振動噪聲問題由6f徑向電磁力與轉軸的1階彎曲模態發生共振導致。
1.4 轉軸振動特性分析
1.4.1 轉軸振動特性仿真分析
為進一步明確轉軸在6f徑向電磁力與1階彎曲模態共振狀態下的振動特性，將仿真得到的6f徑向電磁力加載到轉軸有限元模型上，通過計算得到轉軸的振動時間歷程曲線（如圖9）及軸心軌跡曲線（如圖10）。
圖9 轉軸振動時間歷程曲線
圖10 轉軸軸心軌跡
由圖9、圖10中可以看出：轉軸時域振動信號在1倍頻周期信號的基礎上疊加了6倍頻周期分量，同時轉軸的軸心軌跡在空間上呈“七瓣星形”分布。這種現象均與6倍頻周期振動的擾動有關。
1.4.2 轉軸振動特性試驗驗證
為驗證上述仿真分析的準確性，本文將壓縮機曲軸主軸段加長以便主軸段高出定子，同時在主殼體上互相成90度角的兩個位置布放電渦流傳感器用以測試轉軸加長段的運動狀態，具體測試方案如圖11所示。
圖11 測試方案
對壓縮機60 Hz運行時轉軸的振動信號進行測試，得到轉軸振動的時間歷程曲線和軸心軌跡曲線如圖12～13所示。
圖12 轉軸振動時間歷程測試結果
圖13 軸心軌跡測試結果
通過對比可以看出：轉軸振動時域信號及軸心軌跡試驗測試結果與仿真結果一致，因而確認6f徑向電磁力與彎曲模態共振是導致轉軸振動噪聲的原因。
2 壓縮機轉軸振動噪聲優化試驗驗證
前述分析已明確電機6f徑向電磁力與轉軸彎曲模態共振是導致壓縮機轉軸異常振動噪聲的主要原因。為了將轉軸彎曲模態與電機6f徑向電磁力錯開，通過在轉軸上部位置增設一個軸承形成雙支撐結構，具體如圖14所示。
圖14 優化前后結構示意圖對比
2.1 雙支撐結構彎曲模態分析
對采用雙支撐結構的轉軸模態進行有限元仿真及試驗測試，所得結果如圖15～16所示。通過對比可以看出：采用雙支撐結構后，壓縮機轉軸的1階彎曲模態振型由懸臂端彎曲變為兩個支撐位置之間彎曲且模態頻率提升到1268 Hz，遠高于60 Hz下電機6f徑向電磁力頻率（360 Hz），達到較好的錯頻設計效果。
圖15 雙支撐結構轉軸彎曲模態振型
圖16 雙支撐結構轉軸固有頻率測試結果
2.2 雙支撐結構改善效果驗證
基于上述雙支撐結構組裝壓縮機，驗證其對轉軸6f振動噪聲問題的改善效果，所得結果如圖17～18所示。
圖17 優化前后電機部振動對比
圖18 優化前后噪聲信號1/3倍頻程
當采用雙支撐結構后，電機部6f振動幅值由4.1 m/s2下降到0.7m/s2，降幅高達83%以上。同時，壓縮機噪聲1/3倍頻程在315 Hz～400 Hz頻段下降17.0 dB以上，主觀聽感改善明顯。
3 結論
本文通過對9槽6極電機深入研究發現，變頻壓縮機運行時產生與電機極數有關的轉軸振動噪聲的根本原因在于：電機6倍頻徑向電磁力與轉軸的彎曲模態發生共振。通過為該壓縮機設計雙支撐結構，使轉軸的固有頻率遠高于電機的6倍頻徑向電磁力，最終使壓縮機在315 Hz～400 Hz頻段的噪聲下降17.0 dB以上，主觀聽感改善明顯，達到了改善聲品質的目的。
參考文獻
[1] 劉士興. 壓縮機永磁同步電機振動降低方案[J]. 國內外機電一體化技術, 2016(02): 48-55.
[2] 申秀敏, 王勇, 李彬. 車用永磁同步電機電磁噪聲分析研究[J]. 聲學技術, 2012, 31(06): 589-592.
[3] 齊冀龍, 田彥濤, 龔依民, 等. 壓縮機用永磁同步電機減振降噪方案[J]. 控制工程, 2009, 16(S3): 86-88.
[4] 陳永校. 電機噪聲的分析和控制[M]. 杭州: 浙江大學出版社, 1987.
[5] 譚建成. 永磁無刷直流電機技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011.
[6] 羅科, 吳雙龍, 任超, 等. 電動汽車永磁同步電機電磁噪聲分析及控制[J]. 電氣傳動, 2022, 52(10): 15-20.
[7] Lee S H, Hong J P, Hwang S M, et al. Optimal Design for Noise Reduction in Interior Permanent-Magnet Motor[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, 45(06): 1954-1960.
[8] 吳建華. 基于物理模型開關磁阻電機定子模態和固有頻率的研究[J]. 中國電機工程學報, 2004(08): 112-117.
[9] 張德金, 江波, 邱小華. 變頻空調壓縮機電機的振動噪聲優化研究[J]. 家電科技, 2022(04): 16-19.
（責任編輯：張晏榕）
文章來源：家電科技期刊
工程師必備
- 項目客服
- 培訓客服
- 平臺客服
TOP
