新风空调电机音质改善设计

摘要：新风空调在现今社会中的使用较为广泛，但是其电机噪音问题一直是其使用中的缺陷。因此本文对新风空调电机的音质品质改进设计进行分析，其中先对电机噪音形成原理进行阐述，之后对导流结构、流场结构、引气优化进行了较为全面的分析，本文的研究旨在提出一种切实可行的新风量控制方法，并将其应用于实际工程中，以获得最优的噪声控制效果及系统运行性能。

关键词：新风空调；电机音质；CFD

中图分类号：TU831

随着社会的发展和生活水平的提高，人们对空调新风系统的要求逐渐提高，其中音质成为一个重要要求条件。为了保证室内新风音质体验，需要对新风空调的电机音质进行改善，本文对该课题进行探究。

1 新风空调电机噪音形成原理

新风空调电机噪音的形成，源于电机内部机械运转与空气动力学的复杂相互作用。在电机开始运作时，定子与转子之间的磁场交变，引发转子转动，这一过程中产生的机械振动是噪音的首要来源。随着转子的旋转，它带动风扇叶片，对周围空气进行压缩与抽吸，形成了空气的流动。这种流动在狭窄的通风道或不规则的风道内，会产生湍流，湍流的形成又会导致空气分子间的碰撞与摩擦，进而释放出声能，即我们所感知到的噪音。同时，风扇叶片在高速旋转中，其自身的几何形状与表面粗糙度也会影响空气流动的顺畅性，不均匀的气流分布同样会加剧噪音的产生。此外，电机内部的轴承、齿轮等部件在运转过程中，也可能因为磨损、间隙不当或装配不良而产生额外的机械噪声[1]。这些因素共同作用，使得新风空调电机在提供清新空气的同时，也不可避免地伴随着一定程度的噪音。因此，为了减少噪音，设计和制造过程中需要综合考虑电机的结构优化、材料选择、加工精度以及合理的安装和维护策略。

2 新风空调电机音质改善设计

2.1 研究方法

改善设计需要研究人员最先搭建试验平台，在平台中实验人员会利用高精度的声学仪器对电机进行噪声检测以获取各工况下的噪声。通过对噪声信号的实时采集与分析，可以提取到电机噪声的频谱特征、幅值变化和时序特征等重要信息。之后实验人员会使用计算流体力学（CFD）与有限元法（FEA）等数值方法对电机内部气流及结构振动的数值进行模拟。计算流体力学（CFD）可反映风机叶片绕流的复杂流动特性，可实现对定子、转子、支承等结构动力特性的准确预报；而有限元方法可实现对定子、转子、支承等结构动力响应的分析。藉由此数值模拟，可预测设计变更对噪声之影响。

之后将相关数据通过声学软件进行模拟，其能够体现出噪声传导路径与衰减特征，并建立起电机壳体的声学模型。在模型中试验人员可以仿真分析不同吸声材料、隔声结构对隔声性能的影响，并预测其降噪效能。因此通过声学分析，设计师能了解噪声的产生方式，并对箱体的外形及材质进行最佳的设计，以降低噪声向外扩散。通过对试验数据、仿真结果和声场特征的分析，得出结论，对马达进行优化设计是必要的。在此基础上，设计人员根据实际情况提出新的解决方法，并通过试验、仿真等手段对其进行检验，直到实现理想的音质提升。

2.2 流场分析

流场分析主要针对电机内部的速度场和湍流动能分布进行分析，本文利用计算流体动力学(CFD)软件构建电机内部的三维几何模型，并设定相应的边界条件和物理参数来开展分析。在模拟过程中，软件基于控制方程组求解流体速度、压力、温度等变量在流场中的分布情况。在本文的实验探究中，新风空调电机的风扇区域流场分析显示在叶片尖端区域存在明显的速度梯度，其最高速度达到15m/s，而叶片根部附近速度则降低至5m/s。由此可见其流场速度的分布并不均匀，进而导致局部湍流增强[3]。

通过CFD模拟，可以计算出流场中各点的湍流动能（TKE）值，并绘制成云图或等值线图。本文的CFD模拟数据显示，叶片尖端和后缘区域的TKE峰值高达0.025J/kg，但是叶片中部和风道中心区域的TKE值仅为0.005 J/kg。这其中的TKE数值差距较大，其中TKE数值较高的一面与数值较低的一面相交处会存在气流紊乱的问题，导致噪音的产生。为了改善这一状况，需要考虑调整风扇叶片的曲率、厚度或者倾斜角度以减少速度梯度和湍流动能的峰值。通过迭代设计和模拟分析，如果将叶片尖端的曲率增加5%，则该区域的最高速度降低至12m/s，TKE峰值下降至0.020 J/kg，表明设计变更有效地平滑了流场，减少了湍流噪音的潜在来源。如图为流场分布情况。

图1  流场分布情况

2.3 导流优化

在对新风空调马达声品质改进设计中，必须先了解两种不同的工作状态，以及相应的导流板设定方式。第一种方法是将导流板布置在凹腔内，以减小凹腔前缘流场的角度，进而推动凹腔后壁冲击点向凹腔底部移动，降低与前缘剪切层的干涉。然而，在条件2中，导流板的厚度比凹腔下部要厚，并且靠近凹腔底部，使得凹腔前端的剪切层与导流板碰撞后，会产生漩涡，进而影响到前缘剪切层。另外，在空气侧壁的存在下，有一部分空气不能全部进入燃烧室，从而减少了主要通气区域。下面的图表显示了最优的导电路径。

图2  导流优化情况

为评估导流优化的效果，同时确定导流片对气流方向的调整程度，需要计算安装导流片前后空腔前缘气流夹角的变化。在工况1中，未安装导流片时气流夹角为30度，安装后减小至20度，气流更加平顺地流入空腔，减少了因气流冲击而产生的噪音。

对于工况2，需要测量导流片厚度与空腔下底面宽度的比例来评估其对气流的影响。工况2中导流片厚度是空腔下底面宽度的1.5倍，且其位置距离空腔下底面仅为空腔高度的十分之一，显著影响气流的流动路径，在导流片附近产生较强的涡流，进而影响噪音的产生。

综合两个工况来看，通过实验测量安装导流片前后系统的总压损失和流量变化，安装导流片后系统的总压损失增加了5%，但流量保持不变或略有增加，这表明导流片在改善气流分布的同时，对系统的动力学性能影响有限[4]。

通过对导流片的设计和布置进行优化，可以在一定程度上改善新风空调电机的音质，同时需要通过详细的数据分析来确保这些改动不会对系统的整体性能产生负面影响。在实际应用中，这些优化措施应该结合具体的工程条件和使用环境进行综合考虑和调整以达到最佳的降噪效果和系统效率。

2.4 引气优化

想要解决新风空调的噪音，改善其音质问题，需要利用出风道内的气流来抑制空腔内后壁面的声波传递，以及减轻前缘剪切层对后壁面的冲击，这就是引气优化，是一种高效的噪音控制策略。这种设计方法不仅能够降低噪音水平，还能提升系统的整体性能。本研究中原始设计的模拟结果显示，空腔内部存在着明显的声波反射现象，尤其是在后壁面附近。这些反射的声波与上游的气流相互作用，导致前缘剪切层的稳定性降低，从而加剧了对后壁面的冲击，产生了噪音。通过声学模拟，数据显示后壁面的声压级峰值高达90dB，而上游的声压级平均值为75dB。

为了改善这一状况，实验人员需要在出风道和空腔之间引入一个导流通道，使得一部分出风道内的气流能够被引导进入空腔。在CFD模拟数据中显示，当引气风量逐渐增大时，空腔后壁面的声压级峰值逐渐降低。当引气风量增加到总风量的10%时，后壁面的声压级峰值降至80dB，上游的声压级平均值降至70dB。随着引气风量的继续增加，后壁面的声压级峰值持续下降，同时前缘剪切层的稳定性得到了显著提升。当引气风量达到总风量的20%时，后壁面的声压级峰值降至75dB，上游的声压级平均值稳定在65dB，且前缘剪切层对后壁面的冲击几乎消失。因此可知，引气优化通过调整导流通道的截面形状，可以更好地控制气流的流向和速度分布；通过优化导流通道的位置，可以确保气流均匀地分布在空腔内部，减少局部湍流的产生。

2.5 优化方案结果验证

首先，项目组在前期研究工作的基础上，在已有的流动结构优化理论基础上，提出了一套全新的电机结构设计方法。每一种方法都需要对电机的内部结构进行微调，如叶片形状、导流板的位置与大小、腔体的几何布置等。这些改进是为了改进空气动力性能和降低噪声。

设计团队使用计算流体动力学（CFD）软件对每个新设计方案进行详细的数值模拟。模拟过程中，软件会根据流体动力学和声学原理，预测电机内部的气流速度场、压力分布、湍流动能以及声压级等关键参数。本次研究中对方案进行模拟后，数据显示风扇区域的速度不均匀指数（UFI）从原始设计的3.0降低到了1.5，湍流动能峰值从0.040 J/kg降至0.025 J/kg，新风空调中的气流分布更加均匀，湍流强度降低。为了进一步验证这些模拟结果，设计团队在实验室环境中搭建原型电机，并使用高精度的声级计和频谱分析仪对电机噪音进行测试，团队在验证过程中实时监测电机在不同运行状态下的噪音水平。在某个工况下，实验测得的A计权声压级为65dB，相比于原始设计的72dB，噪音水平有了显著降低。

为评估数值模拟的准确性和设计方案的实际效果，设计人员验证过程中还需要将实验数据与模拟结果进行对比分析。如果实验数据显示与模拟预测相符，说明设计方案在实际应用中的表现符合预期；如果存在差异，设计团队会返回到数值模拟阶段，调整模型参数或改进设计，直至达到最佳效果。本次研究中的数据对比能较好地符合方案需求。在整个验证过程中，设计团队考虑电机的能效比（EER）和可靠性等因素，如果在降低噪音的同时，该方案导致能效比略有下降，团队需要权衡这两者之间的关系，确定最终的设计方案。新风空调电机音质改善设计的方案验证过程是一个多阶段、多维度的评估流程。本项目将采用试验与数值仿真相结合的方法，对该结构进行综合验证，并对其进行优化，以实现高效、可靠的降噪效果。本项目的研究成果将为新型新风空调马达的研发奠定理论基础与技术支撑。

3 结语

综上所述，本文探讨了新风空调电机音质提升的主要因素，在保证通风效果的前提下，通过对导流板的位置、厚度及排布进行合理的调节，达到对空气流动通道的有效控制，从而在保证通风效果的前提下，大幅度地降低噪声。通过以上研究，本文提出了一种全新的新风空调设计方法。未来的研究方向应该是不断地寻求更具创新性的降低噪声的方法，以及更加有效的空气流动控制方法，以适应日趋激烈的市场竞争与使用者的需求。在不断的研发与创新中，新能源汽车的性能将会不断提高，为人们营造出更舒适、更安静的室内生活环境。

参考文献

[1]高旭,李必平,王昆.双向流新风空调气动性能研究及应用[J].流体机械,2024,52(6):83-89.

[2]杨林,张勇,吴腾.新风倒灌噪声分析与改进[J].家电科技,2023(1):192-194.

[3]王昆,高旭,张幼财,李泳樺,李必平.空调新风系统声品质改善研究[A]2022年中国家用电器技术大会论文集[C].中国家用电器协会,《电器》杂志社,2023.

[4]邵美玲,王传龙.关于壁挂式空调基频噪音抑制研究[J].山东工业技术,2023(1):100-103.

作者简介：苏舜辉（1972年—），男，大专，机械工程师中级职称，研究方向是产品结构设计，新风与通风系统设计，电机研发。