惠儉新

(中達(dá)電機(jī)股份有限公司，江蘇無(wú)錫214145)

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三相異步電動(dòng)機(jī)的噪聲分析

惠儉新

(中達(dá)電機(jī)股份有限公司，江蘇無(wú)錫214145)

三相異步電動(dòng)機(jī)的噪聲產(chǎn)生的原因多種多樣，現(xiàn)從電磁噪聲、機(jī)械噪聲、通風(fēng)噪聲三方面進(jìn)行分析，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)噪聲控制提出了幾種行之有效的方法，并通過(guò)舉例，對(duì)所提方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

電磁噪聲；機(jī)械噪聲；通風(fēng)噪聲

0 引言

噪聲是衡量三相異步電動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)。噪聲的控制十分復(fù)雜，其產(chǎn)生往往伴隨振動(dòng)而產(chǎn)生的，振動(dòng)過(guò)大還會(huì)損壞其它設(shè)備，噪聲的大小反映了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝等多方面的情況。因此，設(shè)計(jì)人員要深入研究，及時(shí)解決噪聲。常見(jiàn)的噪聲主要分為：電磁噪聲、機(jī)械噪聲、通風(fēng)噪聲。本文主要從以上三種噪聲進(jìn)行論述。

1 電磁噪聲

電磁噪聲是電機(jī)氣隙中磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生隨時(shí)間和空間變化的徑向力，使定子鐵心和機(jī)座隨時(shí)間周期性變形，即定子發(fā)生振動(dòng)而使周圍空氣脈動(dòng)引起的氣載噪聲。降低三相異步電動(dòng)機(jī)電磁噪聲的有效方法如下。

1.1 選擇合適的槽配合

當(dāng)槽配合符合下列任一條件時(shí)，定、轉(zhuǎn)子齒諧波磁場(chǎng)將引起電機(jī)振動(dòng)和噪聲。

式中，Z1—定子槽數(shù)；Z2—轉(zhuǎn)子槽數(shù)。

一般采用少槽-近槽配合(即轉(zhuǎn)子槽數(shù)少于且接近于定子槽數(shù))，雜散損耗較小，但產(chǎn)生低次數(shù)力波的可能性較大，所以電磁噪聲較高。采用遠(yuǎn)槽配合(定轉(zhuǎn)子槽數(shù)相差較多)或多槽配合(轉(zhuǎn)子槽數(shù)多于定子槽數(shù))，雜散損耗較大，而電磁噪聲可能較低。槽配合對(duì)電動(dòng)機(jī)噪聲級(jí)的影響可參考表1。

1.2 轉(zhuǎn)子進(jìn)行斜槽處理

轉(zhuǎn)子斜槽可使徑向力波沿電機(jī)長(zhǎng)度方向的軸線發(fā)生位移，使得沿軸向平均徑向力降低，從而降低電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。對(duì)于100kW以下的籠型異步電動(dòng)機(jī)，斜槽是降低噪聲的有效措施。設(shè)直槽轉(zhuǎn)子為L(zhǎng)1時(shí)，斜槽轉(zhuǎn)子為L(zhǎng)2時(shí)，則由于斜槽轉(zhuǎn)子使該噪聲級(jí)的降低可按下式估算

式中，bsk—沿轉(zhuǎn)子外圓扭斜弧長(zhǎng)；t2—轉(zhuǎn)子齒距；u—轉(zhuǎn)子繞組諧波系數(shù)；Z2—轉(zhuǎn)子槽數(shù)。

轉(zhuǎn)子斜槽獲得的降低電磁噪聲的效果很明顯。斜槽對(duì)電動(dòng)機(jī)噪聲級(jí)的影響可參考表1。

表1 斜槽對(duì)電動(dòng)機(jī)噪聲級(jí)的影響 dB(A)

極數(shù)為6極Z219212326323344Z1=36bsk=0717865746167bsk=tz1636462625957Z1=18bsk=0747273bsk=tz1636566極數(shù)為4極Z211141517192022232526Z1=24bsk=0697161806869748073bsk=tz1575559606460606057Z1=18bsk=062575970795762626361bsk=0.75tz147424846434947454544Z1=12bsk=053647558597275bsk=0.5tz149545954464954

1.3 采用短距繞組來(lái)削弱諧波電勢(shì)

選擇適當(dāng)?shù)木€圈節(jié)距，使某一諧波的短距系數(shù)等于或接近于零，則可達(dá)到削弱諧波的目的。為消除v次諧波，線圈的節(jié)距y1為

(1)

式中，τ—極距。

1.4 適當(dāng)增大電機(jī)的氣隙

定轉(zhuǎn)子間氣隙長(zhǎng)度δ增大，氣隙磁導(dǎo)降低，故可降低氣隙諧波磁場(chǎng)。當(dāng)氣隙長(zhǎng)度由δ1改變?yōu)棣?時(shí)，相應(yīng)的電磁聲級(jí)變化近似為

L1-L2=40lg(δ2/δ1)4

(2)

式中，L1、L2—電動(dòng)機(jī)電磁噪聲；δ1、δ2—電動(dòng)機(jī)氣隙長(zhǎng)度。

但因?yàn)闅庀对龃蠛?，?huì)使電機(jī)功率因數(shù)降低而使諧波磁動(dòng)勢(shì)增大，使諧波磁場(chǎng)也增大，所以實(shí)際的電磁噪聲級(jí)變化小于按式(2)的計(jì)算值。

1.5 采用定子繞組并聯(lián)路數(shù)

如果磁路的分布對(duì)稱性好，則電磁噪聲一定較低，采用并聯(lián)路數(shù)2p(極數(shù))；或如果a<2p，在串聯(lián)每路繞組時(shí)應(yīng)采用隔極連接。若采用均壓線則效果更好。表2可看出并聯(lián)路數(shù)多的降噪效果。

表2 4極電機(jī)在采用2路、4路接法的噪聲降低值

2 機(jī)械噪聲

產(chǎn)生機(jī)械噪聲的主要原因?yàn)椋?1)轉(zhuǎn)子機(jī)械不平衡產(chǎn)生的噪聲；(2)軸承噪聲；(3)零部件加工不同心及裝配質(zhì)量不好導(dǎo)致的噪聲。解決措施：由于轉(zhuǎn)子機(jī)械不平衡產(chǎn)生的噪聲，主要解決轉(zhuǎn)子的動(dòng)或靜平衡及偏心問(wèn)題就基本能消除由此產(chǎn)生的噪聲；而零部件加工不同心及裝配質(zhì)量不好產(chǎn)生的噪聲，在保證加工及裝配工藝的情況下也基本能把噪聲壓抑在萌芽狀態(tài)。本文重點(diǎn)研究軸承噪聲的解決措施。

滾動(dòng)軸承在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)元件相對(duì)內(nèi)、外軸承圈和保持架有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就是這些相對(duì)運(yùn)動(dòng)的元件間發(fā)生不規(guī)則撞擊，從而發(fā)出噪聲，而降低噪聲的辦法：(1)從軸承選擇來(lái)講，一般滾子軸承比球軸承有較高的噪聲。軸承隨著內(nèi)徑增大，振動(dòng)和噪聲也會(huì)相應(yīng)增大。試驗(yàn)表明，直徑每增大5mm，振動(dòng)噪聲約增加1～2dB(A)。另外，球或滾珠直徑越大，振動(dòng)和噪聲也越大，軸承內(nèi)徑相同的300系列和200系列軸承，在其它條件相同的情況下，200系列軸承的振動(dòng)噪聲要低3～5 dB(A)，在實(shí)際三相異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，低壓大功率2P及高壓2P電機(jī)絕大多數(shù)用200系列軸承也是基于降低振動(dòng)和噪聲這個(gè)重要目的(當(dāng)然還有極限轉(zhuǎn)速等其它考慮因素)。(2)保證軸承游隙的適中。徑向和軸向游隙過(guò)大，會(huì)引起轉(zhuǎn)軸較大的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)，使軸承產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲。而徑向和軸向游隙過(guò)小，則會(huì)使?jié)L動(dòng)體與內(nèi)外套圈之間有摩擦，導(dǎo)致發(fā)熱及噪聲，因此正確選擇滾動(dòng)軸承的游隙，是保證軸承良好工作的重要因素。(3)潤(rùn)滑脂要多少稠稀適中，過(guò)多過(guò)稠的潤(rùn)滑脂對(duì)滾動(dòng)體振動(dòng)的阻尼作用差，過(guò)少過(guò)稀的潤(rùn)滑脂容易引起干摩擦而產(chǎn)生噪聲。在噪聲要求非常嚴(yán)格的場(chǎng)所中還可以考慮選用滑動(dòng)軸承。

3 通風(fēng)噪聲

如今在電磁性能方面的不斷優(yōu)化和對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的持續(xù)改進(jìn)，使電機(jī)的通風(fēng)噪聲相對(duì)于電磁噪聲和機(jī)械噪聲所占的比例成顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)。前蘇聯(lián)統(tǒng)計(jì)的三種噪聲的比例變化見(jiàn)表3。

表3 三種噪聲比例變化

通風(fēng)噪聲產(chǎn)生的原因分為三大類。

(1)風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)受到風(fēng)葉周期性力的作用，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)而引發(fā)旋轉(zhuǎn)噪聲。

(2)空氣渦流產(chǎn)生的噪聲。它是由于風(fēng)扇或轉(zhuǎn)子上旋轉(zhuǎn)的零部件在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的氣流遇到障礙物，使風(fēng)路截面劇變或氣流方向突變而引發(fā)的渦流所產(chǎn)生的噪聲。

(3)笛聲是氣流遇到尖角或筋狀物時(shí)發(fā)出的尖嘯聲。如在高壓三相異步電動(dòng)機(jī)中，定、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道是對(duì)齊的，則由轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道中的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條或通風(fēng)槽管(相當(dāng)于葉片數(shù)等于轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z2的離心式風(fēng)扇)排出的氣流吹到定子徑向通風(fēng)道，與其通風(fēng)槽片相遇時(shí)就要發(fā)出笛聲。所以最好將定、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道的位置相互錯(cuò)開(kāi)。但在氣隙小于1mm時(shí)，這會(huì)顯著影響風(fēng)量。

3.2 通風(fēng)噪聲的抑制方法

(1)當(dāng)已知一臺(tái)電機(jī)的噪聲L1，風(fēng)扇外徑D1，風(fēng)扇葉片寬度b1、電機(jī)轉(zhuǎn)速為n1及風(fēng)扇的氣流效率η1估算另一臺(tái)電機(jī)的噪聲(相應(yīng)代號(hào)的下標(biāo)為“2”)時(shí)可參考下式(兩臺(tái)電機(jī)的結(jié)構(gòu)相似)

由上式可得到以下結(jié)論：風(fēng)扇外徑減小10%，噪聲降低3dB(A)；轉(zhuǎn)速降低10%，噪聲降低2dB(A)；風(fēng)葉寬減小10%，噪聲降低0.4dB(A)；風(fēng)扇的氣流效率由0.3提高到0.4,噪聲可降低1.9 dB(A)。

表4 在BJO2封閉式75kW、2極(中心高280mm) 電機(jī)上試驗(yàn)的兩種風(fēng)扇效果

(3)合理設(shè)計(jì)風(fēng)路：風(fēng)扇外圈與風(fēng)罩間(或擋風(fēng)圈間)間隙要適中，離心式風(fēng)扇間隙過(guò)小會(huì)產(chǎn)生“哨聲”，過(guò)大又會(huì)使回風(fēng)的渦流聲增大。而軸流式風(fēng)扇間隙如果小，則風(fēng)壓高，但噪聲相對(duì)來(lái)講要大一些，一般在實(shí)際設(shè)計(jì)中，此間隙在5～10mm之間為妥。

(4)采用水冷卻系統(tǒng)或他冷冷卻系統(tǒng)。

(5)采用消聲器。

4 結(jié)語(yǔ)

噪聲是評(píng)定三相異步電動(dòng)機(jī)的重要性能指標(biāo)，而對(duì)噪聲的控制也較為復(fù)雜。只有在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷的總結(jié)推敲和分析研究，才能為噪聲得到有效的控制而積累經(jīng)驗(yàn)。

[1] 楊萬(wàn)清.防爆防腐電機(jī)檢修技術(shù)問(wèn)答.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.4.

[2] 黃國(guó)治，傅豐禮.Y2系列三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.1.

[3] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

Noise Analyses on Three-Phase Induction Motor

HuiJianxin

(Zhongda Electric Motors Co., Ltd., Wuxi 214145, China)

Causes of producing noise of three-phase induction motor are in varied forms, and effective methods to control noise of induction motor are proposed by analyzing from aspects of electromagnetic noise, mechanical noise and ventilation noise. The proposed plan has been verified by illustrating.

Electromagnetic noise；mechanical noise；ventilation noise

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.15

TM301.4+3

B

1008-7281(2016)05-0051-004

惠儉新 男 1978年生；畢業(yè)于江南大學(xué)，現(xiàn)主要從事高低壓防爆三相異步電機(jī)的設(shè)計(jì)工作.

2016-05-26