采用斜槽降低三相異步電動機電磁噪聲

唐慶華，張林

(中國長江航運集團電機廠，湖北武漢430205)

0 引言

為了提高電機制造質量，近年來已經將噪聲列入了電機質量考核指標之一。從國家標準《GB 10069.3旋轉電機噪聲測定方法及限值 第3部分:噪聲限值》新老版本中噪聲限值范圍的不斷收窄，我們可以看出對電機噪聲考核的要求越來越嚴格這一變化的趨勢。本文簡要分析了電磁噪聲產生的來源以及三相異步電動機采用斜槽來降低噪聲的機理，提出了幾種斜槽的處理方式。

1 電磁噪聲產生的來源

三相異步電動機是將電能轉換成機械能的專用設備，當三相異步電動機的定子繞組中通入三相對稱的正弦電流以后，經過定轉子之間的氣隙來產生旋轉磁場，轉子導體將切割磁力線而產生感應電動勢(感應電動勢的方向用右手定則判定)。轉子導體中將產生與感應電動勢方向基本一致的感生電流。電磁力對轉子軸產生電磁轉矩，驅動轉子沿著旋轉磁場方向旋轉。

在實際電機中，由于磁極磁場并非完全按正弦規(guī)律分布，因此，定子繞組內的感應電動勢也不完全是正弦波形，即除了正弦波形的基波外還包含著一系列的諧波。我們也可以通過分析電動機磁勢曲線的波形可以得知，在氣隙磁勢中，除了基波產生的旋轉主磁場外，還有一系列由諧波產生的旋轉磁場，這些磁場分為基波磁場和諧波磁場。基波主磁場和諧波磁場所感應產生的轉子電流在氣隙中所產生的磁勢都可分解成一系列不同次數的磁勢，從而構成了齒諧波。在諧波磁場中齒諧波的繞組系數數據大小與基波主磁場相同，因此其幅值較大，對電機的各項性能影響也是很大的。

三相異步電動機的電磁噪聲主要是由氣隙諧波磁場的不均勻所引起的，其主要來源于電磁振動。電磁振動由電機氣隙磁場作用于電機鐵心產生的電磁力所激發(fā)。電動機運行時，氣隙中交變的電磁力波作用于定子和轉子鐵心，使它們隨時間呈現周期性地變形，即發(fā)生電磁振動。由于感應電機轉子剛度較高，因此電磁噪聲主要由定子鐵心振動引起，作用在定子鐵心上產生的電磁力有徑向和切向兩個分量，徑向分量使定子鐵心產生的振動變形是電磁噪聲的主要來源。切向分量的作用是使齒部彎曲并產生局部振動變形，這是電磁噪聲的一個次要來源。電磁力波引起的噪聲一方面與力波幅值大小有關;另一方面與力波次數有關，次數越低的力波引起的噪聲就越大。

因此，通過采用各種方法來削弱齒諧波的影響就成為了降低電磁噪聲的一條重要途徑，而通過斜槽的方法來削弱齒諧波是電動機生產制造過程來降低電磁噪聲的一種常用方法。

2 三相異步電動機斜槽的機理

三相異步電動機通過轉子(或定子)斜槽以后，轉子槽(或定子槽)相對定子槽(或轉子槽)沿軸線方向扭斜一個角度。這樣，定、轉子繞組之間的電磁耦合系數減小了，也就是說，由定子電流產生的基波磁場和諧波磁場均有一部分不與轉子導條起耦合作用，反之也是。通過這樣使得作用在定子鐵心的電磁力的徑向和切向兩個分量均得到減小，尤其是使徑向分量削弱更加明顯。形成的電磁轉矩和感應電動勢近似于同一根轉子導條均勻分布在一段圓周范圍內的平均值，同一根導條內各點所感應的齒諧波電動勢相位不同，它們相位相互錯開，各段導體的電勢進行矢量相加可以大部分互相抵消，而使導體總電動勢中的齒諧波大為削弱，這樣可以使轉子導條中所感應的齒諧波電流減小，并且定轉子諧波間的相互作用力也減小，從而削弱由這些諧波磁場引起的附加轉矩，因此可以使電磁噪聲的分貝數值降低，提高電機的制造質量。

在冶金及起重用繞線轉子(YZR 系列)或籠型轉子(YZ 系列)中小型三相異步電動機的制造過程中，就有批量使用斜槽轉子的成熟經驗。大量的電動機生產制造應用證明，對于電磁噪聲明顯的三相異步電動機，通過采用斜槽的方法可以使電動機的噪聲數值降低約3 ～5dB(A)。

但是，在進行斜槽設計的同時，電機的輸出轉矩也會同時被削弱。這一點對于力能指標有特殊要求的電機在設計時需要特別注意。

3 幾種斜槽的處理方式

在中小型三相異步電動機制造中為了削弱定子繞組的齒諧波電勢通常采用定子斜槽或者轉子斜槽的措施，一般是將繞組的直線部分斜1 個或者接近1 個定子齒距。根據斜槽在電機不同應用部位，主要采用以下幾種斜槽處理方式。

3.1 定子斜槽

定子斜槽是諸多斜槽方法中不常用的一種方式。其方法是將定子槽與電機中心軸線偏轉一定的角度。受加工工藝的影響，定子斜槽一般適用于內壓裝工藝，主要通過在定子機座上加工斜槽，然后通過將定子沖片順著鍵槽方向疊入機座內膛來進行實現，如圖1 所示。

圖1 定子機座斜槽加工示意圖

圖1 中的α 為斜槽角度(通過斜槽寬度bsk與鐵心長度L 的比值進行求取)，P2為鍵槽加工中心與機座中心線的偏離距離，Z 為定子鐵心中心點位置在機座上的定位尺寸。在計算P2過程中需要注意到Z 尺寸的精準定位。同時機座斜槽在加工時需要使用專用的工裝模具進行保證。另外還需要注意到機座鐵心內膛與機座止口直徑有足夠的厚度，以免在加工斜槽過程中出現破裂現象。

3.2 轉子斜槽

有別于定子斜槽的實現方法，目前國內諸多電機制造企業(yè)在中小型電機的生產過程大多數是通過采用轉子斜槽來達到削弱電磁噪聲的目的。根據轉子類型的不同，這又分為繞線轉子(嵌銅條轉子)斜槽和鑄鋁轉子斜槽兩種。

3.2.1 繞線轉子(嵌銅條轉子)斜槽

通常情況下，繞線轉子或嵌銅條轉子電機的工藝加工過程中如下:

轉軸加工斜鍵槽，然后轉子沖片按順序以斜鍵槽導向依次疊入轉軸中形成轉子鐵心，然后進行嵌線或者穿入銅條，繞組整形、綁扎或者銅條端環(huán)焊接后整體浸漆處理，最后車削轉子鐵心外圓形成轉子。要想實現轉子斜槽，唯一的方法只有將轉軸上面的鍵槽加工成斜鍵，如圖2 所示。

圖2 轉軸斜鍵加工示意圖

在計算轉軸斜鍵的角度α 時，特別需要注意將轉子鐵心的扭斜尺寸進行折算，即需要計算轉子鐵心外圓表面的斜槽長度投影到轉軸表面的長度，然后計算其斜角α。其角度α 可以參照下式進行具體計算

式中，Di2—轉子鐵心外徑;D2—轉軸鐵心鍵槽檔直徑;bsk—轉子鐵心表面斜槽長度;L—轉軸鐵心裝配檔加工長度(通常情況下為轉子沖片、轉子端板、轉子壓圈的軸向長度累積之和)。

對于采用嵌銅條的轉子來說，由于轉子鐵心扭斜后槽型整齊度變差，使得銅條穿過全部槽型的難度增大，所以在進行該類型電機的方案設計時，其轉子沖片中槽型寬度與銅條的實際寬度之間的間隙一般需要按單邊0.3 ～0.4mm(黃銅導條取微小值，紫銅導條取稍大值)。另外，轉子壓圈的鍵槽寬度和轉子銅端環(huán)的槽型寬度也可以相應0.5mm 左右，以便于施工操作。

另外，對于繞線轉子或者嵌銅條轉子，當轉子鐵心疊壓成形后，建議增加一道工序，那就是將轉子槽口進行排齊，以增加轉子鐵心槽型的整齊度，以利于后續(xù)的嵌入線圈繞組或者穿入銅條。

3.2.2 鑄鋁轉子斜槽

采用鑄鋁轉子斜槽是實現轉子斜槽的一種快速方法。在目前的中小型籠型轉子電動機制造過程中，斜槽鑄鋁轉子一般是在模具(假軸)中加一斜鍵，使轉子沖片在疊片的過程中自然形成螺旋角而達到斜槽的目的，這樣不同的轉子必須有對應的斜鍵來保證。這種斜槽并非真正意義上的斜槽，而是帶有螺旋線式的斜槽。鑄鋁轉子斜槽示意圖見圖3。加工好的帶斜槽鑄鋁轉子實物見圖4。中小型電機的鑄鋁轉子斜槽度公差一般應控制在±1mm 以內。

圖3 鑄鋁轉子斜槽示意圖

圖4 鑄鋁轉子斜槽實物

在假軸加工過程中，需要注意到假軸外徑與轉子沖片軸孔的公差配合、假軸配鍵的直線度和對稱度以及假軸表面粗糙度。根據工藝熟練程度，假軸外徑與轉子沖片之間的單邊間隙范圍一般在0.03 ～0.05mm，假軸表面光潔度控制在Ra1.6 左右。配鍵的對稱度一般可按8 級精度進行控制。

假軸與轉子沖片軸孔的配合尺寸，直接影響到轉子鐵心鑄鋁后軸孔的整體質量。因此在使用過程中需要定期假軸的磨損情況，若有超差必須立即進行修復。

斜槽鑄鋁轉子相對來說加工簡便，生產組織方便，但是一般在鑄鋁轉子入軸前需要將其進行加熱保溫到一定范圍，然后與軸進行熱套處理，熱套后待整體自然冷卻后才能進行轉子的精車工序，這樣就增加了過程中的能源耗費。目前一般多適于加工中心高180 以下的斜槽鑄鋁轉子。

3.3 通過專用工裝和設備實現斜槽

前面已經提到斜槽轉子鑄鋁后入軸通常是采用熱套的方法，但對于一些需要傳遞大扭矩的轉子就必須用鍵，由于原來的鍵在鑄鋁時已經扭斜無法再用，就必須在鑄鋁轉子的內孔重新加工一個直鍵槽，這就對生產組織造成了極大的不便，而斜槽沖的出現使這個問題得到了很好的解決。隨著新設備新工藝的飛速發(fā)展，用于鐵心制造的專用斜槽沖(數控模架切向進給高速沖槽機的簡稱)設備在電機制造行業(yè)得到了比較廣泛的使用。斜槽沖的出現改變了以往鑄鋁轉子斜槽完全靠斜鍵來實現的歷史。其工作原理是利用步進電機在每個沖程內使模架平移一小段距離來實現斜槽的(轉子沖片的鍵槽并沒有移動)。當鑄鋁轉子鑄造成形后，從其內孔處可以看到鐵心鍵槽是直槽，而鑄鋁轉子表面槽形的槽口連線是斜線的。這樣一來斜槽沖工藝制造的鑄鋁成形后即可以立刻進行入軸，省去了前述3.2.2 中的套假軸、熱套等工序，從而在節(jié)約能源，簡化工序，提高生產效率等方面充分體現出斜槽沖的制造優(yōu)勢。目前該工藝多用于中心高200 以上的鑄鋁轉子制造。

但是，斜槽沖工藝也存在有兩個缺點:一是在采用斜槽沖工藝加工過程中轉子鐵心的高度是以計取沖片的數量來體現的，當硅鋼片的厚度發(fā)生變化時對整個鐵心的高度影響較大，所以在更換不同批次的硅鋼片卷料時需要注意;二是由于加工失誤或者沖到一半時突然斷電需要進行補片或者續(xù)沖時，操作調整比較麻煩。

4 結語

本文通過采用各種不同的處理方式實現了電動機的斜槽，從而達到削弱電磁噪聲、提高電動機制造質量的目的。各個電機制造企業(yè)或者沖片專業(yè)制造廠家均可以根據各自成熟的工藝線路、加工能力和設備設施配備情況來選擇合適的斜槽處理方式。

［1］ 許實章，電機學.北京:機械工業(yè)出版社，1988.

［2］ 陳世坤，電機設計(第2 版)，機械工業(yè)出版社，2004.2.

［3］ 陳楚興，計算三相異步電動機轉子斜槽度.電機技術，2010.4.

［4］ 張忠黨，斜槽沖新技術的運用與推廣.電機技術，2005.1.