朱 新，王德柱

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電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)振動與噪聲的控制措施及效果研究

朱 新，王德柱

（湖南湘電動力有限公司，湖南湘潭 411101）

為了降低冷卻機(jī)對電機(jī)振動噪聲的影響，用分析與試驗(yàn)結(jié)合的方式，找到了從輻射與傳遞途徑上對電機(jī)振動與噪聲進(jìn)行控制的方法，并在電機(jī)樣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明控制措施十分有效。

電機(jī) 冷卻風(fēng)機(jī) 減振 降噪

0 引言

振動和噪聲是電機(jī)重要的技術(shù)指標(biāo)，影響了人們的工作、生活環(huán)境。對于艦船、潛艇等特殊場合使用的電機(jī)，出于安靜性和艦艇隱身的需要，振動和噪聲的控制更是尤為重要[1-2]。

電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)（或風(fēng)扇）對于采用通風(fēng)冷卻的電機(jī)是必不可少的重要部件之一。在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，除了人們重點(diǎn)關(guān)注的電磁振動噪聲、機(jī)械振動噪聲和空氣動力振動噪聲之外[3]，冷卻風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的振動噪聲對電機(jī)的影響不容忽視，尤其是近年來隨著電機(jī)制造工藝水平逐漸提高，電機(jī)本身除風(fēng)機(jī)以外的振動噪聲控制越來越好，冷卻風(fēng)機(jī)對電機(jī)振動噪聲的影響也越來越明顯。

本文在對風(fēng)機(jī)振源進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，制造了試驗(yàn)平臺（主要由電機(jī)樣機(jī)和冷卻風(fēng)機(jī)樣機(jī)組成），通過試驗(yàn)，從數(shù)據(jù)上對比論證了冷卻風(fēng)機(jī)對電機(jī)振動噪聲的影響，然后找到了解決措施，通過試驗(yàn)充分驗(yàn)證了措施的可行性和效果。

1 電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)振動與噪聲分析

1.1 冷卻風(fēng)機(jī)振動與噪聲產(chǎn)生機(jī)理

冷卻風(fēng)機(jī)振動和噪聲就其主要振源產(chǎn)生機(jī)理而言，可分為旋轉(zhuǎn)振動噪聲和渦流振動噪聲。旋轉(zhuǎn)振動噪聲是由于葉片周圍不對稱結(jié)構(gòu)與葉片旋轉(zhuǎn)所形成的軸向不均勻流場相互作用而產(chǎn)生，它與葉輪的轉(zhuǎn)速有關(guān)；渦流振動噪聲主要是由于氣流流經(jīng)葉片時產(chǎn)生紊流附面層及漩渦與漩渦分裂脫體，而引起葉片上壓力脈動所產(chǎn)生[4]。

1.2 風(fēng)機(jī)對電機(jī)振動與噪聲的影響分析

目前，國內(nèi)低振動噪聲風(fēng)機(jī)一般可以將噪聲控制在85~90 dB左右，國外低振動噪聲風(fēng)機(jī)一般的噪聲在83~86 dB左右。若采用兩臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，其產(chǎn)生的噪聲值比單臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行要增加約3 dB。當(dāng)電機(jī)本身噪聲接近甚至低于風(fēng)機(jī)噪聲時，外加冷卻風(fēng)機(jī)對電機(jī)的空氣噪聲影響較大。

相對噪聲而言，由于冷卻風(fēng)機(jī)的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電機(jī)的質(zhì)量，其振動水平對電機(jī)本體的影響相對有限，但其中風(fēng)機(jī)的特征頻率（主要是軸頻和葉頻）振動傳遞到電機(jī)機(jī)腳的振動可能較大。

2 試驗(yàn)平臺

2.1 電機(jī)的選擇及說明

選用一臺1500 kW異步發(fā)電機(jī)作為本次研究的樣機(jī)，為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對樣機(jī)本體（不含風(fēng)機(jī)）采取了一系列減振降噪措施，主要措施如下[5]：

1）采用鼠籠型轉(zhuǎn)子，該結(jié)構(gòu)質(zhì)量對稱性好，相對于繞線型轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性也更好；

2）采用座式滑動軸承，該軸承的穩(wěn)定性單獨(dú)進(jìn)行了充分的試驗(yàn)驗(yàn)證；

3）定子采用十二相繞組（4Y），定轉(zhuǎn)子槽配合為96/84，定子斜槽一個齒距，對樣機(jī)電磁振動噪聲進(jìn)行了很好的抑制；

4）風(fēng)路設(shè)計盡可能地降低了空氣流動帶來的振動噪聲影響，改變風(fēng)道方向時采用大的半徑；風(fēng)道截面積逐步變化；垂直于風(fēng)道面的障礙物設(shè)計成流線型。

2.2 試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的選擇及說明

2.2.1試驗(yàn)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

根據(jù)電機(jī)樣機(jī)通風(fēng)冷卻的需求，采用兩臺低噪聲離心通風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，選取的風(fēng)機(jī)在2000 Pa的系統(tǒng)阻力下輸出風(fēng)量約為3900 m3/h（單臺），該風(fēng)機(jī)為單離心式，由電動機(jī)直接驅(qū)動，額定轉(zhuǎn)速為2890 r/min，額定功率為4 kW，額定電壓為380 VAC，額定頻率為50 Hz。

2.2.2試驗(yàn)風(fēng)機(jī)振動噪聲指標(biāo)及重量

1）單臺風(fēng)機(jī)振動均方根有效值：≤1.8 mm/s；

2）單臺風(fēng)機(jī)空氣噪聲（距風(fēng)機(jī)1 m處）：≤85（dB）（聲壓級）；

3）兩臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)后總空氣噪聲（距風(fēng)機(jī)1 m處）：≤88（dB）（聲壓級）；

4）單臺風(fēng)機(jī)重量：70 kg。

2.2.3風(fēng)機(jī)安裝

本文選擇兩臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)安裝電機(jī)樣機(jī)機(jī)座的上方，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口與電機(jī)樣機(jī)采用軟管進(jìn)行連接。風(fēng)機(jī)安裝如圖1所示。

3 風(fēng)機(jī)對電機(jī)振動與噪聲的影響測試

電機(jī)樣機(jī)在額定工況下運(yùn)行，在開啟冷卻風(fēng)機(jī)和不開啟冷卻風(fēng)機(jī)兩種情況下分別測量電機(jī)樣機(jī)的機(jī)腳振動加速度及噪聲。

測試結(jié)果與理論分析結(jié)論一致，風(fēng)機(jī)對電機(jī)噪聲影響較大，對電機(jī)機(jī)腳振動加速度也存在一定影響，尤其是風(fēng)機(jī)的特征頻率十分明顯，本文采用的樣機(jī)開啟風(fēng)機(jī)后噪聲（本文測點(diǎn)均為距被測設(shè)備1 m處）增加了4.88 dB。風(fēng)機(jī)開啟前后樣機(jī)噪聲對比詳見表1。

圖1 風(fēng)機(jī)安裝示意圖

表1 風(fēng)機(jī)開啟前后噪聲對比

電機(jī)機(jī)腳振動加速度值（50 Hz）增大了13.5 dB，風(fēng)機(jī)開啟前后電機(jī)機(jī)腳振動加速度對比詳見圖2。

圖2 風(fēng)機(jī)開啟前后電機(jī)機(jī)腳振動加速度對比

根據(jù)分析和測試結(jié)果，對風(fēng)機(jī)振動和噪聲進(jìn)行抑制十分必要。經(jīng)過分析，并在試驗(yàn)平臺上對多個措施進(jìn)行了試驗(yàn)，其中采用設(shè)置風(fēng)機(jī)消聲罩和對風(fēng)機(jī)進(jìn)行隔振的方法從輻射與傳遞途徑上對振動與噪聲進(jìn)行控制最為有效，本文重點(diǎn)對這兩種方法進(jìn)行描述。

4 風(fēng)機(jī)振動與噪聲的控制措施

4.1 風(fēng)機(jī)消聲罩

本文采用的風(fēng)機(jī)消聲罩結(jié)構(gòu)外形如圖3所示，為便于安裝、拆卸，由對稱的兩部分組成，與樣機(jī)配合將風(fēng)機(jī)包圍起來，從輻射途徑上達(dá)到控制噪聲的目的。消聲罩有兩層，外殼采用鋁合金材質(zhì)，內(nèi)層為吸聲材料，吸聲材料采用海綿橡膠板（牌號為HM102-29-HG6-413-1979）；考慮風(fēng)機(jī)電動機(jī)自身的散熱需求，消聲罩蓋板為百葉窗結(jié)構(gòu)。

圖3 消聲罩結(jié)構(gòu)外形圖

4.2 風(fēng)機(jī)隔振

風(fēng)機(jī)電動機(jī)底腳通過支架安裝在4個橡膠型隔振器上（兩臺風(fēng)機(jī)共8個隔振器），隔振器固定在電機(jī)樣機(jī)機(jī)座上，風(fēng)機(jī)隔振器安裝示意圖如圖4所示。風(fēng)機(jī)隔振器設(shè)計指標(biāo)為：

1）靜載荷作用下的隔振器壓縮變形<3.3 mm；

2）橫傾/搖和縱傾/搖情況下風(fēng)機(jī)重心位移不超過12 mm；

3）隔振系統(tǒng)垂向固有頻率設(shè)計為11 Hz。

圖4 風(fēng)機(jī)隔振器安裝示意圖

4.3 風(fēng)機(jī)消聲罩安裝前后對比試驗(yàn)

首先單獨(dú)運(yùn)行風(fēng)機(jī)，分別對安裝消聲罩和不安裝消聲罩的風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行測試；然后同時運(yùn)行電機(jī)和風(fēng)機(jī)，對安裝消聲罩和不安裝消聲罩的電機(jī)噪聲進(jìn)行測試；最后關(guān)風(fēng)機(jī)，對僅電機(jī)運(yùn)行的電機(jī)噪聲進(jìn)行測試，對比結(jié)果見表2。

表2 安裝消聲罩前后噪聲對比

測試結(jié)果顯示，安裝消聲罩的降噪效果十分明顯，基本消除了風(fēng)機(jī)噪聲對電機(jī)樣機(jī)的影響。

4.4 風(fēng)機(jī)隔振前后對比試驗(yàn)

首先，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行隔振，在風(fēng)機(jī)隔振器上方和下方分別布置振動加速度測點(diǎn)，單獨(dú)運(yùn)行風(fēng)機(jī)，對比風(fēng)機(jī)隔振器上、下振動加速度值。對比結(jié)果詳見表3。

然后，在電機(jī)機(jī)腳布置振動加速度測點(diǎn)，風(fēng)機(jī)和電機(jī)同時開啟，分別測量風(fēng)機(jī)隔振前后的電機(jī)機(jī)腳振動加速度，再結(jié)合僅電機(jī)運(yùn)行（不開風(fēng)機(jī)）的電機(jī)機(jī)腳振動加速度，對比結(jié)果詳見圖5。

表3 風(fēng)機(jī)隔振器隔振效果

圖5 風(fēng)機(jī)隔振前后電機(jī)機(jī)腳振動加速度對比

試驗(yàn)結(jié)果顯示，風(fēng)機(jī)隔振的減振效果十分明顯（對風(fēng)機(jī)特征頻率的隔振效果>30 dB），基本消除了風(fēng)機(jī)對電機(jī)機(jī)腳振動加速度的影響。

5 結(jié)論

本文根據(jù)分析和試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）冷卻風(fēng)機(jī)對電機(jī)噪聲以及電機(jī)機(jī)腳振動加速度都存在較大影響，尤其是風(fēng)機(jī)的特征頻率振動加速度傳遞到電機(jī)機(jī)腳，從而造成該特征頻率電機(jī)機(jī)腳振動加速度明顯增大。

2）本文提出的安裝消聲罩的措施減噪效果顯著，通過對比測試，安裝消聲罩后基本消除了風(fēng)機(jī)噪聲對電機(jī)的影響。

3）本文提出的風(fēng)機(jī)隔振措施減振效果很好，通過對比試驗(yàn)，風(fēng)機(jī)合理隔振后基本消除了風(fēng)機(jī)振動對電機(jī)機(jī)腳加速度的影響。

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Research on Control Measures and Effects of Vibration and Noise of Motor Cooling Fans

Zhu Xin, Wang Dezhu

（Hunan Xiang Dian Power Co., Ltd., Xiangtan 411100, Hunan, China）

TM41

A

1003-4862（2019）03-0062-03

2018-10-30

朱新（1983-），男，本科。研究方向：電氣工程。E-mail: 154457159@qq.com