三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁噪音分析和控制

吳建兵

【摘要】對(duì)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電磁噪音，從槽配合選擇、氣隙諧波磁場(chǎng)等方面進(jìn)行分析，找出引起電磁噪音的主要原因，最后提出控制電磁噪音的相關(guān)措施。

【關(guān)鍵詞】異步電動(dòng)機(jī)；氣隙 槽配合；諧波磁場(chǎng)；電磁噪音お

The electromagnetism noise of three electric motor analysis and control

Wu Jian—bing

（Xi''an Tech Full Simo Motor Co.， LtdXi''anShaanxi710018）

【Abstract】Three—phase AC induction motor electromagnetic noise from the slot with the select air gap harmonic magnetic field analysis to identify major cause electromagnetic noise， and finally put forward the measures to control electromagnetic noise.

【Key words】Asynchronous motor；Air gap slot with；Harmonic magnetic field；Electromagnetic noiseお

1.引言

Y、Y2系列三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于各行各業(yè)，其負(fù)載噪音指標(biāo)方面與國外產(chǎn)品相比尚有較大差距。特別是2極高速中小型電動(dòng)機(jī)的電磁噪音已超出國際貿(mào)易和國內(nèi)特殊行業(yè)的最低要求。產(chǎn)品出口和國內(nèi)特殊行業(yè)的應(yīng)用受到嚴(yán)重影響。本文定性加簡單的量化分析，闡明2極電機(jī)電磁噪音超標(biāo)的原因及解決方案。

2. 噪音分類

異步電動(dòng)機(jī)的噪音分三類：電磁噪音、空氣動(dòng)力噪音和機(jī)械噪音?？諝鈩?dòng)力噪音源于異步電動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇通風(fēng)噪音。由于空載和負(fù)載的轉(zhuǎn)差非常小，從空載到負(fù)載通風(fēng)噪音幾近定值。因此，對(duì)于空載噪音達(dá)標(biāo)而負(fù)載噪音超標(biāo)的2極高速電機(jī)，通風(fēng)噪音不是電磁噪音超標(biāo)的主要原因。

機(jī)械噪音主要是由軸承噪音引起的。對(duì)于工藝成熟的Y、Y2系列電機(jī)，從降低機(jī)械噪音方面來使電磁噪音達(dá)標(biāo)也是不明智的。

電磁噪音是由于電機(jī)氣隙中各次諧波磁場(chǎng)引起的交變電磁力引發(fā)鐵心及其相聯(lián)的機(jī)械構(gòu)件中的振動(dòng)和共振。采取更趨合理的方案是完全可以做到的。

3. 電磁噪音產(chǎn)生原因

Y160—2電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生讓人不易接受的電磁噪音。為解決問題，需從電磁噪音產(chǎn)生機(jī)理著手，分析電磁噪音的特點(diǎn)及其控制辦法。

3.1氣隙諧波磁場(chǎng)。

氣隙諧波磁場(chǎng)由電機(jī)繞組的磁勢(shì)作用于電機(jī)氣隙而產(chǎn)生的。因此，分析繞組磁勢(shì)即可闡明氣隙諧波磁場(chǎng)的產(chǎn)生原因及對(duì)電磁噪音的影響。

電機(jī)學(xué)理論表明：電機(jī)的單相繞組其磁勢(shì)是脈振磁勢(shì)，磁勢(shì)波形為非正弦波，內(nèi)含豐富的高次諧波磁勢(shì)。

單線圈磁勢(shì)對(duì)于單線圈磁勢(shì)，其磁勢(shì)可表示為：

Fc（t，α） = 2π 2IcNcpSinwt∑∞ v=1/p，2/p…kyv VCOSvα（1）

式中：Nc——槽內(nèi)導(dǎo)體數(shù)，即線圈匝數(shù)

Ic——導(dǎo)體電流i的有效值

線圈組磁勢(shì)對(duì)于每極每相槽數(shù)q為整數(shù)的q個(gè)線圈組v次諧波幅值為：

Fqv=qFcv ·kqv（2）

式中：kqv=sin（qvα1）/2/（qsinvα1/2） （3）

其中α1為線圈分布的基波電角度值，kqv稱為分布系數(shù)，線圈組v次諧波磁勢(shì)幅值為：

Fmqv= 2π 2qIcNcvp·kwv （4）

式中：kwv=kyv·kqv是v次諧波的繞組系數(shù)。

相繞組磁勢(shì)相繞組磁勢(shì)可由線圈組的v次諧波磁勢(shì)按其空間位移和電流方向用矢量法相加而得到。

Fφ（t，α）=2π 2Iwp [kw1cosα+ 13 （Kw3cos3α）+15（Kw5cos5α）+…+ 1v （Kwvcosvα）]sinwt（5）

式中： w =電流角頻率，即基波磁場(chǎng)角頻率。

Kyv=0 至于雙層繞組磁勢(shì)也不含偶次諧波。

對(duì)于正常接法的整數(shù)槽繞組，相繞組磁勢(shì)幅值為：

Fmφv= 2π 2IwvpKwv（6）

上式表明：相繞組磁勢(shì)幅值與繞組系數(shù)成正比，采用短距（y1<τ）和分布繞組（q>1）可有效削弱繞組中的高次諧波，這早已為Y系列電機(jī)所采用。

三相繞組磁勢(shì)三相繞組空間和時(shí)間上均相差120°電角度，屬正交繞組。因此，當(dāng)v=3k時(shí)（k=±1，±2，±3……），三相繞組的3k次諧波磁勢(shì)為0。即

F3k（t，α）=Fφ3kCOS3kα〔sinωt+sin（ωt—2π/3）+sin（ωt—4π/3）〕=0 （7）

上式表明，三相繞組中不含3倍次諧波，只含有5，7，11，……等次數(shù)

的高次諧波。上述齒諧波，因kων=kω1，因此不能用短距分布繞組等辦法加以大幅

度削弱，故其幅值較大，是電磁噪音的主要來源。

3.2電磁力波。

氣隙磁場(chǎng)波作用于定、轉(zhuǎn)子鐵心，產(chǎn)生交變的作用力，即電磁力波。作用在定子鐵心齒上的徑向力波是定子鐵心振動(dòng)變形的主要原因，也即是電磁噪音的主要來源。

應(yīng)用麥克斯韋定律，并忽略次數(shù)為2ν和2μ的高次諧波項(xiàng)后，磁勢(shì)諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向力波為：

Pνμ=BvBu 2μ0COS〔（μ±ν）α—（ωμ±ω1）t—（φu±φv）〕 （8）

式中：γ=μ+γ 稱為此力波的次數(shù)

Wγ=Wμ±w1 為力波角頻率。

Φr=Φμ+Φγ為力波相位角

Bγ，Bμ分別為γ次和μ次氣隙磁密幅值

定子鐵心振動(dòng)時(shí)，其動(dòng)態(tài)變形的大小約與力波次數(shù)的4次方成反比，因此，γ=2的力波是振動(dòng)噪音的主要成分，應(yīng)充分考慮γ=2的力波因素。

3.3負(fù)載噪音實(shí)例分析。

Y160—2電機(jī)，數(shù)據(jù)如下：

Z1=30，Z2=26，p=1，SN=1—nN/n0=1—2930/3000=0.0233（9）

則 μZ=KzZz+p=26Kz+1Kz=±1，±2，±3……

ν=6K1`+p= 6K1`+1 K1`=±1，±2，±3……

力波頻率：μ、ν 同號(hào)時(shí)，γ=μ—νfr=f1[kzZz（1—sn）/p]

μ、γ異號(hào)時(shí)，r=μ+γ時(shí)，fr=f1[k2*Z2*（1—Sn）/p+2]

（下轉(zhuǎn)第17頁）

在r=±2次力波有三對(duì)μ和γ的組合：

a. μ=—25，γ=—23，k2=—1，r=μ—γ=—2

fr=f1[k2*Z2*（1—Sn）/p]=50×（—1） ×26×（1—0.0233）/1=1269.71（Hz） （10）

b.μ=+27，γ=+25，k2=+1，r=μ—γ=+2

fr=1269.71（Hz） 同a.

c. μ=+27，γ=—29，k2=+1，r=μ+γ=—2

fr=f1[k2*Z2*（1—Sn）/p+2]=50×（—1） ×26×（1—0.0233）/1+2=1369.61（Hz） （11）

把a(bǔ)，b，c三組力波頻率和頻譜分析圖表進(jìn)行比較，就會(huì)得出如下結(jié)論：

在μ=27，γ=—29時(shí)，其力波次數(shù)r=—2，其力波頻率和頻譜分析中的尖峰和噪音頻率（1369.6Hz與1376Hz）幾乎相等。這表明，在（Z1=30， Z2=26）時(shí)，其力波（r=μ+γ=—2）引起較大的電噪，從而導(dǎo)致負(fù)載電磁噪音超標(biāo)的可能。另外，此時(shí)a， b， c三個(gè)力波可能和機(jī)座固有頻率（中小型電機(jī)為幾千赫茲）比較接近，易發(fā)生共振。

若改變槽配合為Z1=30，Z2=18時(shí)，出現(xiàn)r=±2低次力波有兩對(duì)μ和γ的組合，經(jīng)計(jì)算fr相等。

fr=f1[k2*Z2*（1—Sn）/p+2]=50×（—1） ×18×（1—0.0233）/1+2=779.03（Hz） （12）

由上述知：Z1=30，Z2=18時(shí)，力波頻率與固有頻率相距較大，引發(fā)共振的可能性減小。從共振看，Z1=30， Z2=18優(yōu)于Z1=30， Z2=26。

4. 負(fù)載噪音控制措施

從抑制各次諧波磁勢(shì)幅值著手，適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子斜槽度，通過電磁計(jì)算，確保各項(xiàng)電氣性能達(dá)標(biāo)的情況下取大值。經(jīng)實(shí)際計(jì)算，取1.2個(gè)定子齒距斜槽度。

從規(guī)避固有頻率防止共振著手，修改槽配合。在出口電機(jī)MG160—2設(shè)計(jì)中，采用修改后的槽配合，效果顯著。

5. 結(jié)語

選擇合適槽配合，可以降低異步電動(dòng)機(jī)的電磁噪音，減少電機(jī)對(duì)周圍環(huán)境的影響，具有很好的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]《電機(jī)學(xué)》（下）許實(shí)章 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 1982年版.

[2]《電機(jī)設(shè)計(jì)》（上、下） 陳世坤 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 1983年版.

[3]《電機(jī)噪音的分析和控制》 陳永校等編著 浙江大學(xué)出版社 1987年版.