【壓縮機(jī)網(wǎng)】隨著壓縮機(jī)減振降噪技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲逐漸凸顯甚至有可能超過(guò)壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲。本文結(jié)合壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，描述了電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，闡明了壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)，提出了壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)減振降噪技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
壓縮機(jī)是一種通用機(jī)械，作為核心設(shè)備廣泛應(yīng)用于空氣動(dòng)力、制冷、化工、食品、醫(yī)藥、紡織等諸多領(lǐng)域。振動(dòng)和噪聲是評(píng)價(jià)壓縮機(jī)質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。目前關(guān)于壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲的研究[2~9]已相對(duì)成熟，隨著壓縮機(jī)減振降噪技術(shù)的不斷提升，電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲逐漸凸顯出來(lái)。電動(dòng)機(jī)異?；蛘咂蟮恼駝?dòng)噪聲，不僅影響壓縮機(jī)設(shè)備整體的振動(dòng)噪聲水平，而且會(huì)帶來(lái)額外的功率損失，同時(shí)在一定程度上縮短壓縮機(jī)設(shè)備的使用壽命。對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行噪聲及振動(dòng)控制，逐漸成為壓縮設(shè)備減振降噪研究的新熱點(diǎn)。
在工業(yè)設(shè)備中，壓縮機(jī)常用的電動(dòng)機(jī)類(lèi)型有三種，分別是異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)以及同步磁阻電動(dòng)機(jī)。異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（圖1）是將轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，獲得一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩而旋轉(zhuǎn)的裝置。在這種電動(dòng)機(jī)中，為了產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的扭矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是低于定子磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，因而稱(chēng)之為異步電動(dòng)機(jī)[10]。這種電動(dòng)機(jī)成本低廉、工作可靠，是壓縮機(jī)設(shè)備所使用的主要電動(dòng)機(jī)類(lèi)型。
永磁同步電動(dòng)機(jī)（圖2）的定子結(jié)構(gòu)與異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)非常相似，最大不同是在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極。這種電動(dòng)機(jī)具有體積小、效率高、啟動(dòng)電流小而轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[11]。采用永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，能使壓縮機(jī)在部分負(fù)荷狀態(tài)下保持高效運(yùn)行，具有十分可觀(guān)的節(jié)能效果。
同步磁阻電動(dòng)機(jī)（圖3）是一種依據(jù)“磁阻最小原理”產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)，由于電動(dòng)機(jī)中沒(méi)有永磁體，不存在高溫退磁的風(fēng)險(xiǎn)[12]。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)速性好，同步磁阻電動(dòng)機(jī)是壓縮機(jī)進(jìn)行變頻控制的另一種選擇。
1 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理
電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲是評(píng)定電動(dòng)機(jī)質(zhì)量的重要指標(biāo)[13,14]，電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)不僅影響其使用壽命，而且是引起噪聲的主要原因。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)噪聲來(lái)源基本可以分為三類(lèi)，即空氣動(dòng)力噪聲、機(jī)械噪聲與電磁噪聲。
1.1 空氣動(dòng)力噪聲
電動(dòng)機(jī)的空氣動(dòng)力噪聲，包括通風(fēng)噪聲及電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分與氣體摩擦的噪聲。空氣動(dòng)力噪聲產(chǎn)生的根本原因是電動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)中氣流壓力的局部迅速變化和隨時(shí)間的急烈脈動(dòng)以及氣體與電動(dòng)機(jī)風(fēng)路管道的摩擦，這種噪聲直接從氣流中輻射出來(lái)[15,16]。
壓縮機(jī)常用的外置式電動(dòng)機(jī)，一般具有冷卻風(fēng)扇，其空氣動(dòng)力噪聲包括旋轉(zhuǎn)噪聲、渦流噪聲及笛聲。旋轉(zhuǎn)噪聲是指風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)受到風(fēng)葉周期性的作用而產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，從而引發(fā)的噪聲。渦流噪聲是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)在葉片后面產(chǎn)生渦流，進(jìn)而引起氣流擾動(dòng)，形成壓縮與稀疏過(guò)程，從而產(chǎn)生的噪聲。笛聲是氣流遇到障礙物發(fā)生擾動(dòng)而產(chǎn)生的單一頻率的聲音，一般有三種：定、轉(zhuǎn)子風(fēng)道之間的干擾，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與定子繞組之間的干擾，以及風(fēng)扇葉片與基座散熱筋之間的干擾。對(duì)于如半封閉制冷壓縮機(jī)等具有的內(nèi)置式電動(dòng)機(jī)，通常沒(méi)有冷卻風(fēng)扇，通過(guò)制冷劑等流體進(jìn)行冷卻，此時(shí)的空氣動(dòng)力噪聲則主要由于冷卻流體流經(jīng)冷卻流道及氣隙而引發(fā)的噪聲。
1.2 機(jī)械噪聲
機(jī)械噪聲是由電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結(jié)構(gòu)共振形成的[15,16]。電動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲主要包括軸承噪聲和轉(zhuǎn)子不平衡引起的噪聲。
軸承噪聲分為滾動(dòng)軸承噪聲及滑動(dòng)軸承噪聲。滾動(dòng)軸承是現(xiàn)有壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)中最常用的軸承類(lèi)型，多為深溝球軸承。造成滾動(dòng)軸承噪聲的因素主要有：軸承本身幾何缺陷、外來(lái)異物侵入、潤(rùn)滑狀態(tài)不佳、承受交變載荷、不合理裝配等。而滑動(dòng)軸承噪聲則是受到加工精度、功率量、開(kāi)槽方式及軸承材料等因素影響。對(duì)于內(nèi)置于壓縮機(jī)內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)常與壓縮機(jī)共用軸承，此時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的負(fù)荷變化對(duì)軸承噪聲具有較大的影響。
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡造成動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子振動(dòng)和偏心，可導(dǎo)致由定子、轉(zhuǎn)子以及轉(zhuǎn)子支撐裝置依次發(fā)出噪聲。轉(zhuǎn)子的不平衡一方面與其本身質(zhì)量分布不均有關(guān)，另一方面也與中心軸的撓曲變形有關(guān)。對(duì)于外置式電動(dòng)機(jī)，當(dāng)壓縮機(jī)與電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)軸在聯(lián)軸器處存在錯(cuò)位或交叉等狀況時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)通過(guò)傳動(dòng)軸向電動(dòng)機(jī)的中心軸傳遞徑向負(fù)荷，從而造成中心軸的撓曲。而對(duì)于半封閉式制冷壓縮機(jī)（如雙螺桿壓縮機(jī)），電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子常處于懸臂結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程會(huì)有小幅擺動(dòng)，這同樣會(huì)引起機(jī)械噪聲。
1.3 電磁噪聲
所謂電磁噪聲，是電磁力作用在定、轉(zhuǎn)子間的氣隙中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波或脈動(dòng)力波，是定子產(chǎn)生振動(dòng)而向外輻射噪聲。電動(dòng)機(jī)電磁噪聲的主要來(lái)源是鐵芯和機(jī)殼的振動(dòng)，機(jī)殼的振動(dòng)直接輻射噪聲，鐵芯的振動(dòng)通過(guò)機(jī)殼或端蓋上的孔向外輻射噪聲。
1.3.1 徑向力波對(duì)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的影響
電動(dòng)機(jī)中，主磁通大致沿徑向進(jìn)入氣隙，并在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力，同時(shí)它產(chǎn)生切向力矩和軸向力，徑向力所引起的振動(dòng)是三相電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁振動(dòng)和噪聲的主要原因。根據(jù)氣隙中的磁場(chǎng)能量關(guān)系，氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向力為[15,16]：
由上述基波磁場(chǎng)及定、轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的交變徑向力波作用于定轉(zhuǎn)子鐵芯，引起隨時(shí)間周期性變化的變形，從而引發(fā)振動(dòng)和噪聲。因轉(zhuǎn)子剛度較好，而定子鐵芯剛性較差，一般認(rèn)為定子鐵芯的振動(dòng)是引起電磁噪聲的主要原因。
此外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜偏心、轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心、定子橢圓形內(nèi)圓、轉(zhuǎn)子橢圓形外圓以及電源諧波也會(huì)引起徑向力波，這類(lèi)徑向力波對(duì)小型或者微型電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲的影響尤為重要。提高加工制造及裝配精度，是解決此類(lèi)振動(dòng)噪聲的根本方法。
1.3.2 切向力波對(duì)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的影響
現(xiàn)有部分小型壓縮機(jī)，如民用活塞空壓機(jī)等，采用的是單相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。單相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)，一般是橢圓形的，各次諧波磁場(chǎng)相互作用，除了產(chǎn)生徑向電磁振動(dòng)力外，一般還附加產(chǎn)生切向振動(dòng)力。切向振動(dòng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)本身的噪聲而言是微不足道的，然而由于這類(lèi)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合一般都是小型壓縮機(jī)，往往存在薄壁結(jié)構(gòu)，切向振動(dòng)常導(dǎo)致薄壁產(chǎn)生較大的振動(dòng)，甚至發(fā)生工作現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較大的噪聲。對(duì)于單相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，切向振動(dòng)較徑向振動(dòng)更為重要。單相電動(dòng)機(jī)切向振動(dòng)的頻率為[15]：
2 壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)
2.1 空氣動(dòng)力噪聲控制技術(shù)
降低空氣動(dòng)力噪聲有兩種途徑，一是從聲源上控制，二是從傳播路徑來(lái)控制，即安裝隔聲罩或消聲器。從聲源上降低空氣動(dòng)力噪聲，可采用如下幾種方法[15~21]：
?。?）合理設(shè)計(jì)風(fēng)量。噪聲的大小一般與風(fēng)量成正比關(guān)系，因此冷卻風(fēng)量的設(shè)計(jì)只要保證溫升不超過(guò)限值并留一定的裕量即可。另外，通過(guò)其它措施也可適當(dāng)降低風(fēng)量需求，如提高絕緣耐熱等級(jí)，增加散熱筋等。
?。?）風(fēng)扇的合理造型和設(shè)計(jì)。根據(jù)電機(jī)需求選擇合適的風(fēng)扇類(lèi)型，確定合理的風(fēng)扇參數(shù)，有助于降低空氣動(dòng)力噪聲。
（3）合理設(shè)計(jì)風(fēng)路系統(tǒng)。合理設(shè)計(jì)風(fēng)路元件，保證風(fēng)路暢通，能有效減少通風(fēng)阻力及噪聲。
（4）多個(gè)小風(fēng)扇替換單個(gè)大風(fēng)扇.
?。?）單獨(dú)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇降低風(fēng)扇周速。
?。?）取消風(fēng)扇，改為自然冷卻或液冷。
2.2 機(jī)械噪聲控制技術(shù)
機(jī)械噪聲主要由軸承噪聲以及轉(zhuǎn)子不平衡引起的噪聲構(gòu)成，因而控制機(jī)械噪聲也應(yīng)從這兩方面入手[15~21]。
降低滾動(dòng)軸承噪聲的方法有：保持清潔可靠的潤(rùn)滑及冷卻，按照規(guī)定合理的裝配，合理設(shè)計(jì)軸承與軸的過(guò)盈量，合理設(shè)計(jì)軸承的工作游隙，提高軸承擋肩與軸承孔的加工精度，軸承外圈與軸承孔設(shè)計(jì)微小間隙等。而對(duì)于滑動(dòng)軸承，應(yīng)根據(jù)使用條件參數(shù)選擇合適的材料，合理設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)，保證可靠的潤(rùn)滑及冷卻等。
對(duì)于由轉(zhuǎn)子不平衡所引起機(jī)械噪聲的控制，可從三方面著手：提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度，提高聯(lián)軸器的連接精度，采用可靠的支撐結(jié)構(gòu)。
2.3 電磁噪聲控制技術(shù)
2.3.1 徑向電磁力波引起的電磁噪聲
徑向電磁力波是引起電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的主要原因，控制由徑向電磁力波引起的振動(dòng)噪聲，可從以下幾個(gè)方面著手[15~21]。
?。?）定轉(zhuǎn)子開(kāi)槽及槽配合。多數(shù)電動(dòng)機(jī)采用分布式繞組，即將繞組分布于沿氣隙圓周的多個(gè)槽內(nèi)[10]，因此定子、轉(zhuǎn)子一般具有多個(gè)槽。定子或轉(zhuǎn)子采用斜槽，能使徑向力波沿電動(dòng)機(jī)軸向發(fā)生相位移，使得沿軸向的平均徑向力降低，從而減小振動(dòng)和噪聲，為防止附加扭矩產(chǎn)生噪聲，一般采用人字形兩段斜槽。同時(shí)，縮小定、轉(zhuǎn)子槽的開(kāi)口寬度，或采用閉口槽、采用磁性槽楔，可以減小氣隙磁導(dǎo)諧波，從而降低電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲。另外，從限制電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲的方面來(lái)考慮，應(yīng)當(dāng)盡可能地使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁力波階數(shù)要高，同時(shí)遠(yuǎn)離定子的固有頻率，從這兩個(gè)方面著手來(lái)考慮定轉(zhuǎn)子的槽配合。
（4）優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的控制策略。同步永磁電動(dòng)機(jī)常用變頻器驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行變轉(zhuǎn)速運(yùn)行。當(dāng)定子側(cè)通入電流時(shí)，定、轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)除產(chǎn)生正弦供電時(shí)產(chǎn)生的低頻段電磁力波外，還會(huì)產(chǎn)生與變頻器開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的高頻段電磁力波。這些高頻段的電磁力波引起的高頻電磁噪聲無(wú)法通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)本體來(lái)解決，主要通過(guò)改善變頻器的控制策略來(lái)抑制高頻段電磁力波[26]。同步磁阻電動(dòng)機(jī)通常采用雙邊凸極結(jié)構(gòu)，即定、轉(zhuǎn)子上具有凸出的磁極，雙邊凸極結(jié)構(gòu)在相同的尺寸能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩[10]。同步磁阻電動(dòng)機(jī)電磁噪聲主要是由徑向振動(dòng)引起，隨著轉(zhuǎn)子位置的變化和電流的通斷，定子鐵芯周期性的收到非線(xiàn)性的徑向電磁力，同時(shí)換相時(shí)帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也是振動(dòng)噪聲的主要來(lái)源[28]。優(yōu)化電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)[23]及調(diào)整控制策略[29~33]是抑制同步磁阻電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要方式。
消除異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率引起的拍頻振動(dòng)。對(duì)于異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是低于定子磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)所特有的概念：s=(n1-n) / n1（其中n1為同步轉(zhuǎn)速，n為電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速）。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心時(shí)，由于定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度不一致，會(huì)產(chǎn)生低頻的拍頻振動(dòng)和噪聲，而且負(fù)載越大，拍頻振動(dòng)和噪聲越顯著[15]。為了消除這種低頻振動(dòng)，對(duì)繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，當(dāng)p≠3k（k=1,2,3……）時(shí)，應(yīng)使空槽均勻分布，當(dāng)p=3k（k=1,2,3……）時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組并頭不能采用鐵芯兩端接線(xiàn)法。
2.3.2 切向電磁力波引起的噪聲
切向電磁力波是引起單相電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的主要原因之一，可以通過(guò)三個(gè)方法進(jìn)行減振降噪設(shè)計(jì)：盡可能是逆序磁場(chǎng)為零，如調(diào)整繞組匝數(shù)比，采用電容等，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行與圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；減小磁場(chǎng)諧波分量，主要為3，5，7次諧波磁場(chǎng)；采用彈性連接，減振切向振動(dòng)向其它部件的傳遞。
3 壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)減振降噪發(fā)展趨勢(shì)
壓縮機(jī)具有啟停頻繁、載荷多變、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，對(duì)可靠性及噪音振動(dòng)的要求逐年提高。應(yīng)用于壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)當(dāng)在不斷提升可靠性的前提下，有效抑制振動(dòng)和噪聲。壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)減振降噪的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)為：
?。?）多物理場(chǎng)聯(lián)合仿真?；趯帷⒘?、固、磁等多物理場(chǎng)的聯(lián)合仿真，結(jié)合電動(dòng)機(jī)電磁力波激發(fā)振動(dòng)噪聲的特性，針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
?。?）液冷替代風(fēng)冷消除通風(fēng)噪聲。液體（如油、水）的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣，采用液體來(lái)冷卻電動(dòng)機(jī)，不僅冷卻效果更好，而且解決了空氣冷卻時(shí)通風(fēng)噪聲的問(wèn)題。
?。?）高速低噪聲軸承技術(shù)。由于水的粘度很低（通常為油粘度的1/20），水潤(rùn)滑軸承可有效避免滑動(dòng)軸承因潤(rùn)滑劑液膜渦動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)噪聲?？諝廨S承及磁懸浮軸承不需要任何潤(rùn)滑劑，能夠同時(shí)避免滾動(dòng)軸承與滑動(dòng)軸承振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。
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【壓縮機(jī)網(wǎng)】隨著壓縮機(jī)減振降噪技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲逐漸凸顯甚至有可能超過(guò)壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲。本文結(jié)合壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，描述了電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，闡明了壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)，提出了壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)減振降噪技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
壓縮機(jī)是一種通用機(jī)械，作為核心設(shè)備廣泛應(yīng)用于空氣動(dòng)力、制冷、化工、食品、醫(yī)藥、紡織等諸多領(lǐng)域。振動(dòng)和噪聲是評(píng)價(jià)壓縮機(jī)質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。目前關(guān)于壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲的研究[2~9]已相對(duì)成熟，隨著壓縮機(jī)減振降噪技術(shù)的不斷提升，電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲逐漸凸顯出來(lái)。電動(dòng)機(jī)異?；蛘咂蟮恼駝?dòng)噪聲，不僅影響壓縮機(jī)設(shè)備整體的振動(dòng)噪聲水平，而且會(huì)帶來(lái)額外的功率損失，同時(shí)在一定程度上縮短壓縮機(jī)設(shè)備的使用壽命。對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行噪聲及振動(dòng)控制，逐漸成為壓縮設(shè)備減振降噪研究的新熱點(diǎn)。
在工業(yè)設(shè)備中，壓縮機(jī)常用的電動(dòng)機(jī)類(lèi)型有三種，分別是異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)以及同步磁阻電動(dòng)機(jī)。異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（圖1）是將轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，獲得一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩而旋轉(zhuǎn)的裝置。在這種電動(dòng)機(jī)中，為了產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的扭矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是低于定子磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，因而稱(chēng)之為異步電動(dòng)機(jī)[10]。這種電動(dòng)機(jī)成本低廉、工作可靠，是壓縮機(jī)設(shè)備所使用的主要電動(dòng)機(jī)類(lèi)型。
永磁同步電動(dòng)機(jī)（圖2）的定子結(jié)構(gòu)與異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)非常相似，最大不同是在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極。這種電動(dòng)機(jī)具有體積小、效率高、啟動(dòng)電流小而轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[11]。采用永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，能使壓縮機(jī)在部分負(fù)荷狀態(tài)下保持高效運(yùn)行，具有十分可觀(guān)的節(jié)能效果。
同步磁阻電動(dòng)機(jī)（圖3）是一種依據(jù)“磁阻最小原理”產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)，由于電動(dòng)機(jī)中沒(méi)有永磁體，不存在高溫退磁的風(fēng)險(xiǎn)[12]。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)速性好，同步磁阻電動(dòng)機(jī)是壓縮機(jī)進(jìn)行變頻控制的另一種選擇。
1 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理
電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲是評(píng)定電動(dòng)機(jī)質(zhì)量的重要指標(biāo)[13,14]，電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)不僅影響其使用壽命，而且是引起噪聲的主要原因。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)噪聲來(lái)源基本可以分為三類(lèi)，即空氣動(dòng)力噪聲、機(jī)械噪聲與電磁噪聲。
1.1 空氣動(dòng)力噪聲
電動(dòng)機(jī)的空氣動(dòng)力噪聲，包括通風(fēng)噪聲及電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分與氣體摩擦的噪聲。空氣動(dòng)力噪聲產(chǎn)生的根本原因是電動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)中氣流壓力的局部迅速變化和隨時(shí)間的急烈脈動(dòng)以及氣體與電動(dòng)機(jī)風(fēng)路管道的摩擦，這種噪聲直接從氣流中輻射出來(lái)[15,16]。
壓縮機(jī)常用的外置式電動(dòng)機(jī)，一般具有冷卻風(fēng)扇，其空氣動(dòng)力噪聲包括旋轉(zhuǎn)噪聲、渦流噪聲及笛聲。旋轉(zhuǎn)噪聲是指風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)受到風(fēng)葉周期性的作用而產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，從而引發(fā)的噪聲。渦流噪聲是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)在葉片后面產(chǎn)生渦流，進(jìn)而引起氣流擾動(dòng)，形成壓縮與稀疏過(guò)程，從而產(chǎn)生的噪聲。笛聲是氣流遇到障礙物發(fā)生擾動(dòng)而產(chǎn)生的單一頻率的聲音，一般有三種：定、轉(zhuǎn)子風(fēng)道之間的干擾，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與定子繞組之間的干擾，以及風(fēng)扇葉片與基座散熱筋之間的干擾。對(duì)于如半封閉制冷壓縮機(jī)等具有的內(nèi)置式電動(dòng)機(jī)，通常沒(méi)有冷卻風(fēng)扇，通過(guò)制冷劑等流體進(jìn)行冷卻，此時(shí)的空氣動(dòng)力噪聲則主要由于冷卻流體流經(jīng)冷卻流道及氣隙而引發(fā)的噪聲。
1.2 機(jī)械噪聲
機(jī)械噪聲是由電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結(jié)構(gòu)共振形成的[15,16]。電動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲主要包括軸承噪聲和轉(zhuǎn)子不平衡引起的噪聲。
軸承噪聲分為滾動(dòng)軸承噪聲及滑動(dòng)軸承噪聲。滾動(dòng)軸承是現(xiàn)有壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)中最常用的軸承類(lèi)型，多為深溝球軸承。造成滾動(dòng)軸承噪聲的因素主要有：軸承本身幾何缺陷、外來(lái)異物侵入、潤(rùn)滑狀態(tài)不佳、承受交變載荷、不合理裝配等。而滑動(dòng)軸承噪聲則是受到加工精度、功率量、開(kāi)槽方式及軸承材料等因素影響。對(duì)于內(nèi)置于壓縮機(jī)內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)常與壓縮機(jī)共用軸承，此時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的負(fù)荷變化對(duì)軸承噪聲具有較大的影響。
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡造成動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子振動(dòng)和偏心，可導(dǎo)致由定子、轉(zhuǎn)子以及轉(zhuǎn)子支撐裝置依次發(fā)出噪聲。轉(zhuǎn)子的不平衡一方面與其本身質(zhì)量分布不均有關(guān)，另一方面也與中心軸的撓曲變形有關(guān)。對(duì)于外置式電動(dòng)機(jī)，當(dāng)壓縮機(jī)與電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)軸在聯(lián)軸器處存在錯(cuò)位或交叉等狀況時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)通過(guò)傳動(dòng)軸向電動(dòng)機(jī)的中心軸傳遞徑向負(fù)荷，從而造成中心軸的撓曲。而對(duì)于半封閉式制冷壓縮機(jī)（如雙螺桿壓縮機(jī)），電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子常處于懸臂結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程會(huì)有小幅擺動(dòng)，這同樣會(huì)引起機(jī)械噪聲。
1.3 電磁噪聲
所謂電磁噪聲，是電磁力作用在定、轉(zhuǎn)子間的氣隙中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波或脈動(dòng)力波，是定子產(chǎn)生振動(dòng)而向外輻射噪聲。電動(dòng)機(jī)電磁噪聲的主要來(lái)源是鐵芯和機(jī)殼的振動(dòng)，機(jī)殼的振動(dòng)直接輻射噪聲，鐵芯的振動(dòng)通過(guò)機(jī)殼或端蓋上的孔向外輻射噪聲。
1.3.1 徑向力波對(duì)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的影響
電動(dòng)機(jī)中，主磁通大致沿徑向進(jìn)入氣隙，并在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生徑向力，同時(shí)它產(chǎn)生切向力矩和軸向力，徑向力所引起的振動(dòng)是三相電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁振動(dòng)和噪聲的主要原因。根據(jù)氣隙中的磁場(chǎng)能量關(guān)系，氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向力為[15,16]：
由上述基波磁場(chǎng)及定、轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的交變徑向力波作用于定轉(zhuǎn)子鐵芯，引起隨時(shí)間周期性變化的變形，從而引發(fā)振動(dòng)和噪聲。因轉(zhuǎn)子剛度較好，而定子鐵芯剛性較差，一般認(rèn)為定子鐵芯的振動(dòng)是引起電磁噪聲的主要原因。
由上述基波磁場(chǎng)及定、轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的交變徑向力波作用于定轉(zhuǎn)子鐵芯，引起隨時(shí)間周期性變化的變形，從而引發(fā)振動(dòng)和噪聲。因轉(zhuǎn)子剛度較好，而定子鐵芯剛性較差，一般認(rèn)為定子鐵芯的振動(dòng)是引起電磁噪聲的主要原因。
此外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜偏心、轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心、定子橢圓形內(nèi)圓、轉(zhuǎn)子橢圓形外圓以及電源諧波也會(huì)引起徑向力波，這類(lèi)徑向力波對(duì)小型或者微型電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲的影響尤為重要。提高加工制造及裝配精度，是解決此類(lèi)振動(dòng)噪聲的根本方法。
1.3.2 切向力波對(duì)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的影響
現(xiàn)有部分小型壓縮機(jī)，如民用活塞空壓機(jī)等，采用的是單相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。單相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)，一般是橢圓形的，各次諧波磁場(chǎng)相互作用，除了產(chǎn)生徑向電磁振動(dòng)力外，一般還附加產(chǎn)生切向振動(dòng)力。切向振動(dòng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)本身的噪聲而言是微不足道的，然而由于這類(lèi)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合一般都是小型壓縮機(jī)，往往存在薄壁結(jié)構(gòu)，切向振動(dòng)常導(dǎo)致薄壁產(chǎn)生較大的振動(dòng)，甚至發(fā)生工作現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較大的噪聲。對(duì)于單相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，切向振動(dòng)較徑向振動(dòng)更為重要。單相電動(dòng)機(jī)切向振動(dòng)的頻率為[15]：
2 壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)
2.1 空氣動(dòng)力噪聲控制技術(shù)
降低空氣動(dòng)力噪聲有兩種途徑，一是從聲源上控制，二是從傳播路徑來(lái)控制，即安裝隔聲罩或消聲器。從聲源上降低空氣動(dòng)力噪聲，可采用如下幾種方法[15~21]：
?。?）合理設(shè)計(jì)風(fēng)量。噪聲的大小一般與風(fēng)量成正比關(guān)系，因此冷卻風(fēng)量的設(shè)計(jì)只要保證溫升不超過(guò)限值并留一定的裕量即可。另外，通過(guò)其它措施也可適當(dāng)降低風(fēng)量需求，如提高絕緣耐熱等級(jí)，增加散熱筋等。
?。?）風(fēng)扇的合理造型和設(shè)計(jì)。根據(jù)電機(jī)需求選擇合適的風(fēng)扇類(lèi)型，確定合理的風(fēng)扇參數(shù)，有助于降低空氣動(dòng)力噪聲。
（3）合理設(shè)計(jì)風(fēng)路系統(tǒng)。合理設(shè)計(jì)風(fēng)路元件，保證風(fēng)路暢通，能有效減少通風(fēng)阻力及噪聲。
（4）多個(gè)小風(fēng)扇替換單個(gè)大風(fēng)扇.
?。?）單獨(dú)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇降低風(fēng)扇周速。
?。?）取消風(fēng)扇，改為自然冷卻或液冷。
2.2 機(jī)械噪聲控制技術(shù)
機(jī)械噪聲主要由軸承噪聲以及轉(zhuǎn)子不平衡引起的噪聲構(gòu)成，因而控制機(jī)械噪聲也應(yīng)從這兩方面入手[15~21]。
降低滾動(dòng)軸承噪聲的方法有：保持清潔可靠的潤(rùn)滑及冷卻，按照規(guī)定合理的裝配，合理設(shè)計(jì)軸承與軸的過(guò)盈量，合理設(shè)計(jì)軸承的工作游隙，提高軸承擋肩與軸承孔的加工精度，軸承外圈與軸承孔設(shè)計(jì)微小間隙等。而對(duì)于滑動(dòng)軸承，應(yīng)根據(jù)使用條件參數(shù)選擇合適的材料，合理設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)，保證可靠的潤(rùn)滑及冷卻等。
對(duì)于由轉(zhuǎn)子不平衡所引起機(jī)械噪聲的控制，可從三方面著手：提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度，提高聯(lián)軸器的連接精度，采用可靠的支撐結(jié)構(gòu)。
2.3 電磁噪聲控制技術(shù)
2.3.1 徑向電磁力波引起的電磁噪聲
徑向電磁力波是引起電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的主要原因，控制由徑向電磁力波引起的振動(dòng)噪聲，可從以下幾個(gè)方面著手[15~21]。
?。?）定轉(zhuǎn)子開(kāi)槽及槽配合。多數(shù)電動(dòng)機(jī)采用分布式繞組，即將繞組分布于沿氣隙圓周的多個(gè)槽內(nèi)[10]，因此定子、轉(zhuǎn)子一般具有多個(gè)槽。定子或轉(zhuǎn)子采用斜槽，能使徑向力波沿電動(dòng)機(jī)軸向發(fā)生相位移，使得沿軸向的平均徑向力降低，從而減小振動(dòng)和噪聲，為防止附加扭矩產(chǎn)生噪聲，一般采用人字形兩段斜槽。同時(shí)，縮小定、轉(zhuǎn)子槽的開(kāi)口寬度，或采用閉口槽、采用磁性槽楔，可以減小氣隙磁導(dǎo)諧波，從而降低電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲。另外，從限制電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲的方面來(lái)考慮，應(yīng)當(dāng)盡可能地使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁力波階數(shù)要高，同時(shí)遠(yuǎn)離定子的固有頻率，從這兩個(gè)方面著手來(lái)考慮定轉(zhuǎn)子的槽配合。
（4）優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的控制策略。同步永磁電動(dòng)機(jī)常用變頻器驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行變轉(zhuǎn)速運(yùn)行。當(dāng)定子側(cè)通入電流時(shí)，定、轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)除產(chǎn)生正弦供電時(shí)產(chǎn)生的低頻段電磁力波外，還會(huì)產(chǎn)生與變頻器開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的高頻段電磁力波。這些高頻段的電磁力波引起的高頻電磁噪聲無(wú)法通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)本體來(lái)解決，主要通過(guò)改善變頻器的控制策略來(lái)抑制高頻段電磁力波[26]。同步磁阻電動(dòng)機(jī)通常采用雙邊凸極結(jié)構(gòu)，即定、轉(zhuǎn)子上具有凸出的磁極，雙邊凸極結(jié)構(gòu)在相同的尺寸能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩[10]。同步磁阻電動(dòng)機(jī)電磁噪聲主要是由徑向振動(dòng)引起，隨著轉(zhuǎn)子位置的變化和電流的通斷，定子鐵芯周期性的收到非線(xiàn)性的徑向電磁力，同時(shí)換相時(shí)帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也是振動(dòng)噪聲的主要來(lái)源[28]。優(yōu)化電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)[23]及調(diào)整控制策略[29~33]是抑制同步磁阻電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要方式。
消除異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率引起的拍頻振動(dòng)。對(duì)于異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是低于定子磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)所特有的概念：s=(n1-n) / n1（其中n1為同步轉(zhuǎn)速，n為電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速）。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心時(shí)，由于定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度不一致，會(huì)產(chǎn)生低頻的拍頻振動(dòng)和噪聲，而且負(fù)載越大，拍頻振動(dòng)和噪聲越顯著[15]。為了消除這種低頻振動(dòng)，對(duì)繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，當(dāng)p≠3k（k=1,2,3……）時(shí)，應(yīng)使空槽均勻分布，當(dāng)p=3k（k=1,2,3……）時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組并頭不能采用鐵芯兩端接線(xiàn)法。
2.3.2 切向電磁力波引起的噪聲
切向電磁力波是引起單相電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的主要原因之一，可以通過(guò)三個(gè)方法進(jìn)行減振降噪設(shè)計(jì)：盡可能是逆序磁場(chǎng)為零，如調(diào)整繞組匝數(shù)比，采用電容等，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行與圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；減小磁場(chǎng)諧波分量，主要為3，5，7次諧波磁場(chǎng)；采用彈性連接，減振切向振動(dòng)向其它部件的傳遞。
3 壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)減振降噪發(fā)展趨勢(shì)
壓縮機(jī)具有啟停頻繁、載荷多變、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，對(duì)可靠性及噪音振動(dòng)的要求逐年提高。應(yīng)用于壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)當(dāng)在不斷提升可靠性的前提下，有效抑制振動(dòng)和噪聲。壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)減振降噪的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)為：
?。?）多物理場(chǎng)聯(lián)合仿真?；趯帷⒘?、固、磁等多物理場(chǎng)的聯(lián)合仿真，結(jié)合電動(dòng)機(jī)電磁力波激發(fā)振動(dòng)噪聲的特性，針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
?。?）液冷替代風(fēng)冷消除通風(fēng)噪聲。液體（如油、水）的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣，采用液體來(lái)冷卻電動(dòng)機(jī)，不僅冷卻效果更好，而且解決了空氣冷卻時(shí)通風(fēng)噪聲的問(wèn)題。
?。?）高速低噪聲軸承技術(shù)。由于水的粘度很低（通常為油粘度的1/20），水潤(rùn)滑軸承可有效避免滑動(dòng)軸承因潤(rùn)滑劑液膜渦動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)噪聲?？諝廨S承及磁懸浮軸承不需要任何潤(rùn)滑劑，能夠同時(shí)避免滾動(dòng)軸承與滑動(dòng)軸承振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。
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