婁志剛

(臥龍電氣集團(tuán)股份有限公司，浙江上虞312300)

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低壓三相異步電動機(jī)產(chǎn)生噪聲的原因及措施

婁志剛

(臥龍電氣集團(tuán)股份有限公司，浙江上虞312300)

主要介紹了低壓三相異步電動機(jī)的三種噪聲類型及產(chǎn)生的原因，重點闡述了電磁噪聲的抑制方法，經(jīng)實例驗證該方法切實可行。同時也提出了機(jī)械噪聲和通風(fēng)噪聲的解決措施。為安裝問題提供了可靠的參考依據(jù)。

低壓三相異步電機(jī)；噪聲；控制方法

0　引言

電機(jī)就是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為各種設(shè)備提供可靠的驅(qū)動力。電機(jī)的振動和噪聲水平是評定電機(jī)質(zhì)量的重要標(biāo)志之一，振動的強(qiáng)弱不僅影響電機(jī)的壽命，而且也是引起噪聲的主要原因。電機(jī)噪聲的形成以及解決方法是十分復(fù)雜的，是一個綜合性的問題。本文僅就電機(jī)噪聲的分類、形成原因及實踐中總結(jié)的解決方法進(jìn)行闡述。

1　噪聲的類型及原因

根據(jù)電機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，可將電機(jī)的噪聲分為三類，即電磁噪聲、機(jī)械噪聲和通風(fēng)噪聲。通風(fēng)噪聲一般是指電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的氣流聲，而電磁噪聲、機(jī)械噪聲則與電機(jī)結(jié)構(gòu)的機(jī)械振動密切相關(guān)。機(jī)械噪聲是由電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部分的摩擦、撞擊、不平衡及結(jié)構(gòu)共振等引起的，其中主要是轉(zhuǎn)子的機(jī)械不平衡和軸承噪聲。

1.1電磁噪聲

電機(jī)的電磁噪聲涉及電磁學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、聲學(xué)和信號分析等諸多專業(yè)知識，問題復(fù)雜程度較高，分析難度也比較大。

電磁噪聲來源于電磁振動，電磁振動由電機(jī)氣隙磁場作用于電機(jī)鐵心產(chǎn)生的電磁力所激發(fā)，而電機(jī)氣隙磁場又決定于定轉(zhuǎn)子繞組磁動勢和氣隙磁導(dǎo)。氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力是一個旋轉(zhuǎn)力波，有徑向和切向兩個分量。徑向分量使定子和轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向變形和周期性振動，是電磁噪聲的主要來源；切向分量是與電磁轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)的作用力矩，它使齒對其根部彎曲，并產(chǎn)生局部振動變形，是電磁噪聲的一個次要來源。還有很多設(shè)計故障原因，也會造成電磁噪聲的增加，例如：鐵心飽和的影響；電網(wǎng)中的諧波分量；電動機(jī)鑄鋁轉(zhuǎn)子斷條；裝配氣隙不均勻等等。電磁噪聲的大小與電機(jī)氣隙內(nèi)的諧波磁場及由此產(chǎn)生的力波的幅值、頻率和磁極數(shù)有關(guān)，也同定子的固有頻率、阻尼系數(shù)等密切相關(guān)。

1.2機(jī)械噪聲

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結(jié)構(gòu)共振形成機(jī)械噪聲，主要是由軸承引起的。電機(jī)軸承在繁重的工作狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時，滾珠和外圈滾道相接處會發(fā)生彈性變形。滾道變形隨接觸處的變化呈周期性變化，產(chǎn)生振動和噪聲。軸承裝機(jī)后，內(nèi)外圈的配合及軸承游隙對電機(jī)噪聲也有一定的影響。

1.3通風(fēng)噪聲

產(chǎn)生這種噪聲的根本原因是電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)中氣流壓力的局部迅速變化和隨時間的急劇脈動，以及通風(fēng)氣流與電機(jī)風(fēng)路管道的摩擦。這種噪聲通常直接從氣流中輻射出去。電機(jī)的通風(fēng)噪聲主要包括以下三種。

(1)旋轉(zhuǎn)噪聲。風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時，空氣質(zhì)點受到風(fēng)葉周期性力的作用，產(chǎn)生壓力脈動，由此產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)噪聲。

(2)渦流噪聲。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子表面上的突出物會影響氣流。由于粘滯力的作用，氣流分裂成一系列分立的小渦流，這種渦流之間的分裂使空氣擾動，形成壓縮與稀疏過程，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。

(3)笛聲。氣流遇障礙物發(fā)生干擾時會產(chǎn)生單一頻率的笛聲，隨轉(zhuǎn)動部件和固定部件之間氣隙的減小而增強(qiáng)。

2　噪聲的抑制方法

電機(jī)不同的噪聲是由不同部位、不同零部件產(chǎn)生的，一般互不相關(guān)，因此可以分別研究，針對不同噪聲采取不同的降噪措施。

2.1電磁噪聲的抑制

2.1.1選擇合適的定轉(zhuǎn)子槽配合

振動階數(shù)較低、幅值較大的力波對電機(jī)的振動和噪聲起主要作用。力波階數(shù)較大時，可以不予考慮。當(dāng)力波階數(shù)較低，但是產(chǎn)生該力波的磁場諧波次數(shù)較大時，磁場幅值小，也可以不予考慮。因此，從減小力波降低電機(jī)噪聲來考慮，總是希望力波階數(shù)高一點。

振動力波階數(shù)為

n=μ±ν

(1)

式中，ν—定子繞組諧波次數(shù)；μ—轉(zhuǎn)子繞組諧波次數(shù)。

當(dāng)每極每相槽數(shù)q1=Z1/2pm(式中，Z1—定子槽數(shù)；m—定子相數(shù)；p—極對數(shù))為整數(shù)時

ν=(6q′+1)p,q′= ±1,±2…

(2)

齒諧波νz磁勢幅值一般較大，是分析計算電機(jī)電磁噪聲的主要分量

νz=kZ1+p,k=±1,±2…

(3)

當(dāng)q1為分?jǐn)?shù)時，設(shè)q1=Q1/d1，且Q1、d1之間沒有公因子，則

當(dāng)d1為奇數(shù)時，ν=(6q′+1)p/d1

當(dāng)d1為偶數(shù)時，ν=(3q′+1)2p/d1

(4)

對于鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組磁勢諧波次數(shù)

μ=q″Z2+ν,q″= ±1,±2…

(5)

研究轉(zhuǎn)子齒諧波時，可以令ν=p。

對于三相繞組式轉(zhuǎn)子，當(dāng)整數(shù)槽時，d2=1；當(dāng)分?jǐn)?shù)槽時，q2=Q2/d2，且Q2、d2之間沒有公因子，則

μ= 6q″p/d2+ν

(6)

我們應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)牟叟浜希詼p少較小階數(shù)的力波，這里主要考慮齒諧波中n<5 的情況。

同時，應(yīng)考慮力波頻率和定子固有頻率，以避免共振。不同槽配合力波分析如表1。

表 1　槽配合的力波分析

從槽配合來說，36/46 比 36/44 的槽配合要好, 因為前者磁場的主要分量齒諧波產(chǎn)生的階數(shù)為4, 而后者為 2, 從減少力波及降低電機(jī)的振動、噪聲來說, 總是希望力波次數(shù)要高一些。降低氣隙磁通密度或適當(dāng)加大氣隙以減小諧波磁場幅值，由于聲功率近似與振幅平方成正比，振動幅值和徑向力成正比，徑向力與氣隙磁密平方成正比，磁通密度b(θ,t)與氣隙δ成反比，即

(7)

(8)

(9)

氣隙從δ1增大到δ2時，聲功率級可降低

(10)

一臺 YZTD 250L-4/8/32 電機(jī)噪聲隨磁密的變化結(jié)果如表2。

表2　電機(jī)噪聲隨磁密的變化結(jié)果

但是氣隙磁密的降低會導(dǎo)致電機(jī)體積和有效材料的增加，增大氣隙會使電機(jī)的功率因數(shù)降低，空載電流增大，基本損耗增加，故必須綜合考慮。

2.1.2選擇合適的繞組

選擇合適的定子繞組節(jié)距，以削弱相帶諧波。選擇那些產(chǎn)生諧波磁勢較小的繞組，如正弦繞組對減小噪聲總有利。正弦繞組采用△-Y串聯(lián)接線方式，Y繞組在空間排列上滯后△30°，則有

(11)

且IY在時間相位上滯后I△30°。

所以，正弦繞組的v次諧波磁動勢幅值為

Fmv=Fmv(△)+(-1)abs(K)Fmv(Y)

(12)

對一臺 11kW電機(jī)進(jìn)行正弦繞組和普通繞組的對比試驗，結(jié)果如表 3。

表3　繞組對噪聲的影響

2.1.3斜槽

斜槽時，作用在定子上軸向零階的徑向力與斜槽系數(shù)或斜極系數(shù)成正比減小。

斜槽系數(shù)

(13)

式中，bSK—斜槽距離；Z—定(轉(zhuǎn))子槽數(shù)；t—定(轉(zhuǎn))子槽距。

斜極系數(shù)

(14)

式中,τ—極距；p—極對數(shù)。

斜槽前后聲功率級變化為

△L=101g(KSK)2=201gKSK

(15)

實際電機(jī)噪聲的降低要小于上式求得的值。因為，以上的討論忽略了扭轉(zhuǎn)力矩和軸向非零階徑向力產(chǎn)生的振動。中小型電機(jī)的轉(zhuǎn)子，一般斜一個定子槽距，如圖 1 所示。

此外，縮小定轉(zhuǎn)子槽開口寬度或采用閉口槽、磁性槽楔以減小氣隙磁導(dǎo)諧波；采用磁極靴偏心結(jié)構(gòu)，在加工方面保證電樞同心度，校準(zhǔn)電機(jī)的動平衡，提高電機(jī)的裝配質(zhì)量水平，也都有不同程度的應(yīng)用。

2.2機(jī)械噪聲的抑制

2.2.1對于軸承噪聲零件與軸承的配合試驗證明，對應(yīng)于最低噪聲有一個最佳工作游隙，它大致等于基本組游隙的 30～50%。有資料顯示，軸承外圈與軸承室的配合，應(yīng)有5～10μm 的間隙，這對于降低電機(jī)軸承噪聲是有好處的。

(1)軸承質(zhì)量的好壞，決定噪聲的大小。

(2)提高軸承端蓋、軸蓋、軸承室的光潔度、圓度以及公差尺寸。選擇剛性好、精度高的軸承。

(3)電機(jī)軸承的正確安裝。軸承在安裝前必須進(jìn)行仔細(xì)清洗，做到使軸承受熱均勻和不因加熱而讓臟物進(jìn)入軸承內(nèi)部，必須填加清潔的潤滑脂到軸承溝道中心，用量以軸承空腔的 1/2～1/3 為好。

2.2.2工作狀態(tài)和工作環(huán)境。

確認(rèn)表面工作狀態(tài)是否合格，是否長期處于過載、堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；測試空氣中的含塵量、室溫是否達(dá)到要求，是否存在有害性氣體，空氣絕對濕度不低于 5g/cm3。

2.3通風(fēng)噪聲的抑制

2.3.1風(fēng)扇的設(shè)計。

風(fēng)葉采用奇數(shù)葉片，最好采用不等分的葉片間距；風(fēng)葉采用后傾式，并用圓角過渡；合理選擇葉片形狀，如：盆式葉片比大刀式噪聲低；風(fēng)扇外徑與端蓋間的距離為風(fēng)扇外徑的 10%～15%；風(fēng)扇應(yīng)具有良好的動平衡。

2.3.2風(fēng)路的設(shè)計。

合理設(shè)計風(fēng)路系統(tǒng)，降低空氣阻尼；改變風(fēng)道方向時，采用大的半徑；風(fēng)道截面積應(yīng)逐漸變化；垂直于風(fēng)道面的障礙物應(yīng)做成流線形。

2.3.3加裝消聲器或隔聲罩。

3　結(jié)語

現(xiàn)實中，電機(jī)產(chǎn)生噪聲的原因十分復(fù)雜，研究涉及到電磁、機(jī)械振動、物理聲學(xué)、數(shù)學(xué)等多個學(xué)科，本文中我們只是簡單介紹了低壓三相異步電動機(jī)產(chǎn)生噪聲的原理，并提出了相對的解決辦法，減少了電磁力波和電磁諧波，提高力波除數(shù)，同時保證機(jī)械加工精度和風(fēng)扇設(shè)計的合理性，這樣就可以有效地降低電機(jī)的噪聲與振動。

[1] 黃禮文，王宗培.電動機(jī)噪聲理論和控制技術(shù)的進(jìn)展.電工技術(shù)學(xué)報，2000(5)：34-38.

[2]陳世坤. 電機(jī)設(shè)計[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]陳永校，諸自強(qiáng)，應(yīng)善成.電動機(jī)噪聲的分析與控制[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1987.

Cause and Control Method of Noise of Low-Voltage Three-Phase Induction Motor

Lou Zhigang

(WolongElectricGroupCo.,Ltd.,Shangyu312300,China)

This paper chiefly introduces types and causes for three kinds of noises of low-voltage three-phase induction motor, and emphatically introduces suppression method of electromagnetic noise. The practical example has verified that this method is feasible. Solutions of mechanical noise and ventilation noise are presented at the same time. It can provide good reference.

Low-voltage three-phase induction motor；noise；control method

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.16

TM301.4+3

B

1008-7281(2016)04-0048-004

婁志剛男1962年生；畢業(yè)于浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計、制造工藝工作.

2016-04-21