空调电机机械噪音问题的分析

空调电机机械噪音问题的分析

苏琪婷 郑国和 邓智

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519000

【摘要】本文通过机理研究、故障件剖析、售后使用调研、生产制造分析等方式对空调电机机械噪音的失效模式及产生原因进行研究分析，着重对轴承音展开深入分析，提出有效解决各类噪音问题的对策。

【关键词】空调电机；机械噪音；轴承音；分析

1 引言

近年来，空调客户对噪音的敏感度和静音需求均有所提高，空调电机噪音问题需引起高度关注，解决噪音问题对空调质量的提升、对满足人们生活品质的需求显得至关重要。

空调电机噪音包含机械噪音和电磁噪音，本文主要对电机机械噪音进行深入分析，机械噪音主要分为轴承音和摩擦音两大类，着重对各类轴承音的失效模式、产生的机理及原因进行研究，并提出有效的解决对策。

2. 轴承音分析

空调电机使用的轴承多为深沟球滚动轴承，顾名思义，轴承噪音是电机在运转过程中由轴承本身发出来的，研究轴承音需对轴承结构、运转机理进行分析，以及从使用环境因素、生产制造过程等对轴承所产生的各类影响进行分析。

2.1轴承固有的声音

轴承固有的声音音质清脆有规律，音量轻微。轴承表面、滚珠、内外滚道、油脂均无明显异常，部分轴承滚道和滚珠有轻微磨损现象，部分轴承滚道和滚珠仍完好，轴承本身加工精度正常、装配正常、无外界异物入侵。

从轴承结构及运转机理上进行分析，滚动轴承由防尘盖、外滚道、内滚道、滚珠和保持器组成，内部填充油脂起到润滑及绝缘的作用。轴承内滚道与轴紧配合，并与轴一起运转，外滚道与电机端盖轴承室过渡配合，起支撑作用。滚珠在轴承内借助保持器均匀地排列在内、外圈之间作滚动运动。保持器除了能将滚珠均匀地分隔开以外，还能起引导滚珠旋转及改善轴承内部润滑性能的作用。

图1 轴承结构图

轴承运行过程中，保持器在轴承内部做6自由度运行，滚珠与保持器之间存在一定的设计间隙，轴承转动时滚珠推动金属保持器运动，保持器和滚珠之间存在速度差，存在“引导”、“推动”的平衡状态过程，即滚珠与保持器之间无法达到绝对静止的运动状态，保持器在轴承运转中产生非周期性的回转振动，导致了轴承内部滚珠撞击金属保持器发出的声响，属于轴承固有的声音。当滚珠和保持器都是金属材质时，相互碰撞将发出清脆的声响。从原理上分析，特别是低速运转时钢珠存在自重情况更容易和保持器存在落差碰撞，即低转速下越容易出现一定频率的有规律性声响。并且，滚珠长期运转导致沟道抛光度、圆度精度下降，滚珠撞击声音会放大，当放大到一定程度后将会影响听觉舒适感。

对于此类轴承固有的声音，可以通过采用不同材质的保持器或者提高电机转速来解决。

2.2使用环境因素导致的异响

除了固有声音外，轴承音经常表现为无规律性，主要呈现“沙沙”、“咔咔”、“嘎达”等不同音质，与使用环境因素相关。

2.2.1 水汽入侵导致轴承音

部分空调使用环境恶劣，潮气较重。此类存在轴承音的电机端盖及轴有生锈现象，解剖电机发现端盖内部有水印痕迹，轴承滚道及滚珠也存在生锈痕迹。

电机运转过程中空气流动使水汽从轴承防尘盖空隙中进入轴承内部，轴承油脂遇水汽性能下降，破坏轴承滚珠与滚道之间油膜层而加速诱发轴承异音的出现。电机长期处于高湿环境下，水汽长期大量入侵轴承会导致滚珠和滚道生锈，加大两者的摩擦，进一步放大轴承音。

2.2.2异物入侵导致轴承音

除水汽入侵外，经调研发现空调安装用户在装修时未对空调做好防护，以及在使用过程中，过滤网存在灰尘堆积较多的情况，用户未及时清洗，导致电机表面吸附大量灰尘等异物。

对此类存在轴承音的电机样品进行分析，经过对油脂过滤，在显微镜下观察有超过125μm的金属、非金属异物。部分故障电机表面有装修材料依附，同时油脂分析多了Cl离子等，一些装修材料会有酸性气体挥发，对油脂有一定的变质影响。油脂中杂质（灰尘、装修材料等）会诱发轴承异音，容易在高速运行下与金属、非金属碰撞产生摩擦异响，并影响整机噪音及轴承寿命。

对于水汽、异物入侵导致轴承音的问题，可以通过采用密封轴承来降低入侵的可能性，并且在空调使用时做好整机防护，以及需定期清洁滤网。

2.3电机厂家制造过程导致轴承音

电机厂家在生产过程中需要将轴承压入电机轴，压轴工艺若处理不当将会导致轴承被压伤。如电机入轴过程放置偏斜等造成安装瞬间倾斜受力，随入轴深入后自动纠正，最外沿受损最明显，存在轴向压伤痕迹，呈现由大到小的压痕，通常内外滚道同时出现[1]；如行业上采用的手动机压轴承或者气动机压轴承，压力一致性都难以很好地控制，易出现压力过大导致轴承滚道出现麻点或者痕印，对于轻微损伤的制品难以检验筛选出来，导致电机长期运转后噪音进一步恶化。

针对入轴过程导致轴承损伤的问题，可以使用下压行程和压力一致性控制较好的伺服压轴方式，同时需要确保轴承入轴垂直度。

2.4运输振动导致轴承音

当电机包装运输或者空调整机包装运输出现激烈振动或冲击时，轴承会出现微动磨损，长期运转后出现轴承音。微动磨损是指双面间相对的反复微小滑动而产生的磨损，发生在滚道与钢球之间的接触部位。通常为振动或冲击引起游隙消失，导致滚珠与滚道的直接接触，产生接线方向或法线方向的磨痕，伤痕数量可多可少，部分伤痕存在等于滚珠数且距离相同的现象，伤痕多数呈现为中间略粗两边较细或接近等宽的现象，内外滚道同时出现；短期磨痕上一整圈的过热磨损现象，长期运转后出现磨痕点的剥落，产生红褐色或者黑色的磨耗粉，出现明显轴承音。

解决微动磨损问题，可从轴承油脂选型上优化，针对接线方向微动磨损，可提高油脂流动性，选择基础油粘度低的润滑脂；针对法线方向微动磨损，可提升接触面的油膜厚度，选择基础油粘度高的润滑脂。并且，需要从电机包装和整机包装上进行优化调整，降低运输振动对电机和轴承的冲击。

2.5电腐蚀导致轴承音

部分无刷直流电机使用一段时间后，出现音质非常明显的轴承音，检查轴承内外滚道有均匀条状灼伤发白痕迹，呈现明显类似“搓衣板”的伤痕，此故障现象主要由电腐蚀导致。无刷直流电机内部一般采用变频器通过PWM波调制控制三相换相，由于变频器内开关管（IGBT或MOS管）频繁的开通和关断（开关频率一般为16KHz），电压随时间的变化量dv/dt极高，造成绕组中点位置始终存在高频的共模电压。在高频共模电压的影响下，电机各部件的容性变得不可忽略，形成杂散电容并构成共模通路，在持续的激励下形成轴电流。当轴承两端上的电压超过油膜的阈值电压时，油膜的局部会被瞬间击破，轴承储存的电能突然释放，轴电流突然增加，由于击破的范围较小，电流密度极高，故引起EDM（电蚀加工），在轴承沟道表面形成微小凹坑及初步的麻点状电腐蚀，长期运转后形成“搓衣板”伤痕。

防止出现轴承电腐蚀需要设法降低轴电流，可以通过导电条连接前后端盖的方式降低共模电压。也可以采取将轴承绝缘的方法, 使得两端的电压无法在轴承中形成电流，常用的方法是在轴承外圈上加一层绝缘层，以及采用陶瓷轴承[2]。

2. 摩擦音分析

空调电机产生的摩擦音多为电机本体发出，一般呈现出各种机械摩擦的异音，偏中、高频，无明显的规律性。产生原因主要为电机转子与定子气隙间、或电机内腔其它位置存在异物，电机转子在运转时，异物与定、转子相互摩擦从而产生异响。异物主要来源于电机生产制造过程，如金属碎屑、塑料碎屑、微小部件、漆瘤等，需要电机生产制造厂家加强对生产过程异物的管控，防止异物残留。

4 结束语

本文对空调电机机械噪音进行分析，通过机理研究、故障件剖析、售后使用调研、生产制造分析等识别空调电机机械噪音的失效模式及失效原因，并且对各种问题提出针对性的整改优化对策，可有效解决各类噪音问题。

参考文献：

[1]GB/T 24611-2020，滚动轴承损伤和失效术语、特征及原因[S].

[2]黄立培，浦志勇.大容量PWM逆变器对交流电机的轴电压和轴承电流的影响[J]，电工电能新技术，2000,（4）：39-43.