張偉

（河北電機(jī)股份有限公司，河北 石家莊 051430）

低壓大功率12極電機(jī)電磁噪聲降低方法淺析

張偉

（河北電機(jī)股份有限公司，河北 石家莊 051430）

低壓大功率12極電機(jī)在實(shí)際的使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)較大的噪聲。產(chǎn)生噪聲的原因主要為電磁噪聲。本文從多個(gè)可能引起電磁噪聲的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，得出了對(duì)低壓大功率12極電機(jī)控制電磁噪聲行之有效的方法，優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，對(duì)所提方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

低壓大功率；12極電機(jī)；電磁噪聲

1 降噪要求

1.1 背景

我公司生產(chǎn)了4臺(tái)155kW，380V，IC01，12極立式電機(jī)，使用了以前用過(guò)的72/56槽配合。制造完成后，空載噪聲為78dB(A)（聲壓級(jí)），換算為聲功率級(jí)噪聲約為93dB(A)（換算依據(jù)IEC60034-9-2003），符合GB10069.3-2006的標(biāo)準(zhǔn)值97dB(A)（聲功率級(jí)），但負(fù)載噪聲卻達(dá)到了101dB(A)（聲壓級(jí)），雖然標(biāo)準(zhǔn)中并未規(guī)定12極電機(jī)的負(fù)載噪聲值，但也能判定這是過(guò)大的噪聲。我們?cè)诘谝淮卧囍平?jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用了幾個(gè)降噪的方法，最終將負(fù)載噪聲控制在81dB(A)（聲壓級(jí)），成功降低了30dB(A)，甚至低于空載噪聲的標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 降低噪聲的意義

噪聲是造成環(huán)境的污染一個(gè)重要因素。電機(jī)產(chǎn)生的噪聲通常分為三類(lèi)：機(jī)械噪聲、通風(fēng)噪聲和電磁噪聲。這其中電磁噪聲是隨著電機(jī)負(fù)載載荷的增加而增大的，其主要分量的頻率范圍通常為700～4000Hz，人的聽(tīng)覺(jué)對(duì)這個(gè)頻率范圍的噪聲十分敏感，降低電機(jī)負(fù)載噪聲有利于保護(hù)我們的工作環(huán)境和生活環(huán)境。

1.3 電磁噪聲的判斷

利用人耳在通電和斷電時(shí)對(duì)聲音的對(duì)比，即可判斷是否存在電磁噪聲。接通電機(jī)電源，憑人耳仔細(xì)傾聽(tīng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中是否發(fā)出尖銳的聲音，然后關(guān)閉電機(jī)電源繼續(xù)傾聽(tīng)，如果之前聽(tīng)到的尖銳聲音不再出現(xiàn)，即可判斷該電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在著電磁噪聲。如果關(guān)閉電機(jī)電源后，原來(lái)聽(tīng)到的尖銳聲音仍存在，即可判斷該電機(jī)沒(méi)有較強(qiáng)的電磁噪聲。

1.4 理論分析

一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)噪聲分為三類(lèi)。相對(duì)于轉(zhuǎn)速較高極數(shù)電機(jī)的高機(jī)械噪聲和通風(fēng)噪聲來(lái)說(shuō)，12極電機(jī)由于額定轉(zhuǎn)速較低，電磁噪聲成為了電機(jī)運(yùn)行中的主要噪聲來(lái)源。電磁噪聲的產(chǎn)生來(lái)源是由于電磁力波所引起的電磁振動(dòng)。而電磁力波的產(chǎn)生是與繞組磁動(dòng)勢(shì)以及氣隙磁導(dǎo)有關(guān)，其共同決定了電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)，電機(jī)鐵心與其之間的作用產(chǎn)生了一系列的電磁力波。定子鐵心齒部會(huì)受到徑向分力和切向分力的作用，這些力是由氣隙磁密波作用產(chǎn)生的。其中徑向分力會(huì)引起鐵心的振動(dòng)變形，這被認(rèn)為是電磁噪聲的主要來(lái)源。而切向分力會(huì)生成一個(gè)作用力矩，它與電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)，會(huì)引起定子齒部的彎曲，從而產(chǎn)生振動(dòng)變形，這被認(rèn)為是電磁噪聲的次要來(lái)源。電機(jī)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下電磁噪聲會(huì)明顯增大，這在高極數(shù)、大功率的電機(jī)中尤為明顯。

電機(jī)氣隙磁通的實(shí)際分部其實(shí)不是正弦的，而是含有諧波和基波，這是由于定轉(zhuǎn)子表面使用了開(kāi)口槽，以及槽內(nèi)部磁動(dòng)勢(shì)過(guò)于集中。這些諧波對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響是較大的，由于其互相作用會(huì)產(chǎn)生切向力，也會(huì)產(chǎn)生切向的電磁轉(zhuǎn)矩，并且還會(huì)形成徑向力，這些徑向力不斷的變化，隨時(shí)間和空間而變。在這種情況下，電機(jī)的氣隙中會(huì)有不同次數(shù)和頻率的徑向力波。

由于這些徑向力波對(duì)鐵心的作用，導(dǎo)致定子鐵心以及電機(jī)機(jī)殼，和轉(zhuǎn)子鐵心發(fā)生徑向位移形變，也就是產(chǎn)生振動(dòng)。所謂的振動(dòng)頻率即是這些力波的作用頻率，由于一般使用剛性軸，轉(zhuǎn)子鐵心的振動(dòng)較小，只需要考慮機(jī)座和定子鐵心的振動(dòng)情況即可。定子和機(jī)殼的振動(dòng)會(huì)帶動(dòng)周?chē)諝庥幸?guī)律的脈動(dòng)，從而引起氣載噪聲，這就是電磁噪聲的主要構(gòu)成。在不同階次的徑向力波中，尤其以低階次大幅值的徑向力波對(duì)電磁噪聲的影響為大。主要是由于低階次的力波所引起的鐵心彎曲力臂較長(zhǎng)，這樣相對(duì)剛度會(huì)較差，從而會(huì)產(chǎn)生更大的徑向變形。所以說(shuō)定子鐵心的變形量與力波階次數(shù)的四次方成反比，與徑向力波的幅值大小成正比。另外，還要考慮定子鐵心和機(jī)殼的固有頻率，如果固有頻率和徑向力波的頻率相近或者相同，電機(jī)振動(dòng)值會(huì)大大上升，同時(shí)噪聲值會(huì)大大增加。

表1 我公司設(shè)計(jì)的低壓大功率12極立式電機(jī)系列產(chǎn)品性能參數(shù)

2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

由以上的理論分析我們可以得知，為降低電機(jī)的電磁噪聲，首要任務(wù)是要消除低階次的徑向力波，而這其中作用最大的是選擇合適的定、轉(zhuǎn)子槽配合。另外，降低諧波也是一項(xiàng)重要的降噪手段，采用合理的斜槽可以達(dá)到這一目的。大多數(shù)高極數(shù)電機(jī)槽配合是選用轉(zhuǎn)子槽數(shù)多于定子槽數(shù)的方案，但是對(duì)于中小電機(jī)來(lái)說(shuō)增加了轉(zhuǎn)子鑄鋁的難度，工藝性較差。根據(jù)Takashi Kobayashi推薦的低噪聲槽配合Z1=Z2+4P（Z1為定子槽數(shù)，Z2為轉(zhuǎn)子槽數(shù)，P為極對(duì)數(shù)）選用72/40槽配合。這樣設(shè)計(jì)便大大降低了對(duì)轉(zhuǎn)子工藝性的要求，隨之而來(lái)的是生產(chǎn)效率的提高。若希望降低作用于定子鐵心的徑向力，最有效果的辦法就是使用斜槽。在定子或者轉(zhuǎn)子上使用斜槽工藝，可以使徑向力波產(chǎn)生在電機(jī)軸線(xiàn)方向的相位移，從而降低電機(jī)的振動(dòng)和電磁噪聲。通常來(lái)說(shuō)，使用轉(zhuǎn)子斜槽更方便，工藝更簡(jiǎn)單。本案例中將轉(zhuǎn)子槽沿外圓斜一個(gè)定子齒距。

從提高定子鐵心強(qiáng)度的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)定子疊片導(dǎo)磁面積的增加是一個(gè)有效的方法，通過(guò)定子軛部高度的降低以及定子槽型的縮減，都可提高定子強(qiáng)度。隨之而來(lái)的是鐵心振動(dòng)的降低和輻射噪聲的減小。對(duì)于諧波幅值的削減，可以采用加大電機(jī)的氣隙的辦法。對(duì)于徑向力波幅值的降低，可以通過(guò)提高氣隙的均勻度來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于增大氣隙會(huì)降低電機(jī)的功率因數(shù)，所以可以在性能指標(biāo)允許的范圍內(nèi)適當(dāng)加大氣隙。放大的氣隙還可以降低電機(jī)的溫升。在鐵心疊片的時(shí)候需要轉(zhuǎn)動(dòng)沖片的方向，目的是避免由于硅鋼片厚度不均勻造成的鐵心磁場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)，因?yàn)榇艌?chǎng)的不均勻會(huì)造成電磁噪聲的上升。同時(shí)這種方法也可以避免鐵心由于硅鋼片厚度不均造成的彎曲。還需要提高定子鐵心的壓裝質(zhì)量，采用更加合理的壓力值以及疊壓系數(shù)，以減小或消除沖片厚度差的影響。取消定子鐵心與機(jī)殼筋板的焊接，改為熱套工藝，選取合理的定子外圓與機(jī)殼內(nèi)筋的配合工差。在轉(zhuǎn)子鐵心的兩邊使用端部壓板，并且對(duì)端板齒部進(jìn)行折彎處理，以增強(qiáng)壓裝貼合力，避免疊片彈開(kāi)，并對(duì)轉(zhuǎn)子外圓加工嚴(yán)格控制加工量，保證轉(zhuǎn)子沖片不倒片（表1）。

3 試驗(yàn)結(jié)果

負(fù)載測(cè)試中，噪聲由101dB(A)降低至81 dB(A)（聲壓級(jí)），折算為聲功率級(jí)為96dB(A)，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的空載噪聲97dB(A)（聲功率級(jí)）。電機(jī)裝機(jī)后，客戶(hù)對(duì)噪聲優(yōu)化十分滿(mǎn)意，可以說(shuō)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于客戶(hù)的期望。這主要得益于定、轉(zhuǎn)子的槽配合十分合理，轉(zhuǎn)子斜槽的應(yīng)用，定子鐵心強(qiáng)度的提高，適當(dāng)加大氣隙減小了諧波幅值，提高了轉(zhuǎn)子的對(duì)中質(zhì)量，采用相應(yīng)的措施提高了定、轉(zhuǎn)子疊壓質(zhì)量等。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)電磁理論，對(duì)于高極數(shù)大功率電機(jī)可能產(chǎn)生電磁噪聲的原因進(jìn)行了分析，調(diào)整了優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，找出了降低電磁噪聲的關(guān)鍵點(diǎn)。主要有槽配合、斜槽、氣隙、定子鐵心強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子對(duì)中度、鐵心疊壓質(zhì)量等。根據(jù)具體的電機(jī)應(yīng)用和制造條件，可以有針對(duì)性的進(jìn)行調(diào)整和解決。

[1]Gieras Jacek F.Wang Chong，Lai Joseph Cho．Noise of Polyphase Electric Motors[M]． [S.1.]：Taylor&Framcis，2006．

[2]陳永校，諸自強(qiáng)，應(yīng)善成．電機(jī)噪聲的分析和控制[M]，杭州：浙江大學(xué)出版社，1987.

[3]Takashi Kobayashi．Effects of Slot Combination on Acoustic Noise from Induction Motors[J]，IEEE TRANSACTIONS 0N MAGNETICS，1997,33(2):2101～2104.

TM301.43

A

1671-0711（2017）03（上）-0059-02