過一斌

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

工作環(huán)境中的電磁噪聲，會(huì)給人類健康造成極大傷害。從修訂補(bǔ)版情況看(GB 10069.3旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法及限值)，電機(jī)噪聲考核越來越嚴(yán)格。本文以一臺(tái)立式同步電機(jī)電磁噪聲為例，通過技術(shù)改造，有效降低電磁噪聲。

1 電磁噪聲的原因及分析

同步電機(jī)電磁噪聲主要源于電機(jī)氣隙磁場(chǎng)。氣隙磁場(chǎng)徑向分量作用于定子鐵心，使定子鐵心產(chǎn)生振動(dòng)變形，切向分量與電磁轉(zhuǎn)矩相反，使鐵心齒局部振動(dòng)變形。由于定、轉(zhuǎn)子繞組中存在著主波磁動(dòng)勢(shì)與各次諧波磁動(dòng)勢(shì)，它們的相互作用可以產(chǎn)生一系列的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

主波磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電磁噪聲，一般情況下由于頻率較低，影響不顯著。諧波磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電磁噪聲，尤其是低次諧波產(chǎn)生的齒諧波導(dǎo)致的電磁噪聲，影響較為顯著。采用定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極，是電機(jī)削弱齒諧波的有效措施，也是降低電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的有效辦法?？梢允棺饔迷诙ㄗ虞S向某一位置鐵心疊片上的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與作用在軸向位置的另一個(gè)定子疊片上的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)發(fā)生相位移，使實(shí)際作用在定子鐵心上的平均徑向力降低，從而減小電機(jī)的電磁噪聲。

2 控制措施的可行性分析

上電同一時(shí)間內(nèi)共制造5臺(tái)TL3000-48大型立式同步電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在明顯讓人不適的電磁噪聲。問題發(fā)生后，對(duì)鐵心疊壓、定子剛度和氣隙等做了調(diào)整，但效果不理想。鑒于電機(jī)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成型，計(jì)劃采用轉(zhuǎn)子磁極傾斜的方案削弱齒諧波。為更好的論證方案對(duì)電機(jī)噪聲的改良效果，上電采用有限元分析軟件ANSYS Maxwell對(duì)TL3000-48立式同步電機(jī)的電磁性能進(jìn)行分析，并分別計(jì)算轉(zhuǎn)子磁極不傾斜和傾斜一個(gè)定子齒距情況下，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)峰-峰值與額定轉(zhuǎn)矩占比的結(jié)果。

2．1 分析模型

綜合計(jì)算精度和耗費(fèi)的時(shí)間，采用二維有限元瞬態(tài)電磁場(chǎng)完成分析較為合適，定子繞組端部漏抗可以按照集總方式加載計(jì)入。分析采用的二維模型如圖1所示。考慮到電磁、結(jié)構(gòu)及載荷的對(duì)稱性，只建立了1/12的周期對(duì)稱模型。

圖1 TL3000-48立式同步電機(jī)電磁分析模型

2．2 有限元剖分模型

分析采用的有限元剖分模型如圖2所示。為保證計(jì)算結(jié)果的精度，需要對(duì)定轉(zhuǎn)子磁路，定、轉(zhuǎn)子間氣隙進(jìn)行剖分細(xì)化。

圖2 TL3000-48立式同步電機(jī)有限元剖分模型

2．3 材料屬性(見表1)

表1 所使用的各材料及屬性表

2．4 載荷和約束

載荷：定子三相正弦額定電壓源；額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩(運(yùn)動(dòng)方程)。

約束：在電磁對(duì)稱面上施加周期對(duì)稱約束；在模型內(nèi)、外邊界處施加磁力線平行邊界約束。

2．5 計(jì)算結(jié)果

2．5．1 磁場(chǎng)分布結(jié)果

在額定工況下TL3000-48立式同步電機(jī)的磁場(chǎng)分布結(jié)果如圖3所示，可見磁場(chǎng)分布均勻?qū)ΨQ，磁密合理，沒有局部過飽和區(qū)域。

圖3 額定工況下TL3000-48立式同步電機(jī)的磁場(chǎng)分布圖

2．5．2 電機(jī)電磁性能結(jié)果

供電的電壓波形如圖4所示，利用二維有限元瞬態(tài)電磁場(chǎng)對(duì)立式同步電機(jī)的電磁性能進(jìn)行計(jì)算，穩(wěn)定后定子電流波形如圖5所示，電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖6所示。

圖4 供電的電壓波形

圖5 穩(wěn)定后的定子電流波形

圖6 穩(wěn)定后的電磁轉(zhuǎn)矩波形

電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極不斜極的情況下，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)峰-峰值約為額定轉(zhuǎn)矩的5.2%；電機(jī)轉(zhuǎn)子斜一個(gè)定子齒距的情況下，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)峰-峰值約為額定轉(zhuǎn)矩的2.37%。

3 措施論證結(jié)果

首臺(tái)TL3000-48電機(jī)轉(zhuǎn)子采用磁極傾斜一個(gè)定子齒距的技術(shù)改造方案。電機(jī)出廠試驗(yàn)時(shí)，在距離電機(jī)1 m處，測(cè)量基準(zhǔn)體數(shù)據(jù)L=4.5 m、W=4.5 m、H=4.2 m，均布測(cè)量8點(diǎn)電機(jī)噪聲，測(cè)量數(shù)值見表2。

表2 測(cè)量數(shù)值表

3.1 等效矩形包絡(luò)面法測(cè)量面積S

故：a=3.25 m、b=3.25 m、c=5.2 m

≈163.477 6

3．2 計(jì)算環(huán)境反射修正值K2

式中：S為測(cè)量面積，m2；A為房間吸收量，m2；上海電機(jī)廠房間的吸收量默認(rèn)值為85 m2。

≈9.4

3．3 計(jì)算平均聲壓級(jí)

其中，環(huán)境噪聲值設(shè)置為70 dB(A)，低于被試電機(jī)在各點(diǎn)測(cè)得值10 dB以上時(shí)，測(cè)量值不做修正，即KLi=0；同時(shí)，由于電機(jī)在常溫和常壓下試車，不考慮溫度、氣壓的影響，即K3=0。

108.1+108.0+108.2+108.0)]-K2

≈10×log10(1.70×108)-9.4

≈82．3-9．4

=72．9 dB

綜上所述，電機(jī)轉(zhuǎn)子采用磁極傾斜一個(gè)定子齒距的技術(shù)改造方案，試驗(yàn)計(jì)算平均聲壓級(jí)為72．9 dB，電機(jī)噪聲得到明顯改善。

4 結(jié)論

(1) 電機(jī)轉(zhuǎn)子在不斜極的情況下，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)峰-峰值約為額定轉(zhuǎn)矩的5.2%；轉(zhuǎn)子斜一個(gè)定子齒距的情況下，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)峰-峰值約為額定轉(zhuǎn)矩的2.37%，能更進(jìn)一步抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和減小電機(jī)的振動(dòng)噪聲。

(2) 上述技術(shù)改造方案的可行性分析，及首臺(tái)改造電機(jī)的試驗(yàn)噪聲結(jié)果，論證了磁極傾斜一個(gè)定子齒距能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而減小電機(jī)的振動(dòng)噪聲。該技術(shù)改造方案可靠可行。