低壓大功率12極電機(jī)電磁噪聲降低方法淺析

張偉

（河北電機(jī)股份有限公司，河北 石家莊 051430）

低壓大功率12極電機(jī)電磁噪聲降低方法淺析

張偉

（河北電機(jī)股份有限公司，河北 石家莊 051430）

低壓大功率12極電機(jī)在實際的使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)較大的噪聲。產(chǎn)生噪聲的原因主要為電磁噪聲。本文從多個可能引起電磁噪聲的技術(shù)關(guān)鍵點進(jìn)行分析，得出了對低壓大功率12極電機(jī)控制電磁噪聲行之有效的方法，優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計方案，對所提方案進(jìn)行了驗證。

低壓大功率；12極電機(jī)；電磁噪聲

1 降噪要求

1.1 背景

我公司生產(chǎn)了4臺155kW，380V，IC01，12極立式電機(jī)，使用了以前用過的72/56槽配合。制造完成后，空載噪聲為78dB(A)（聲壓級），換算為聲功率級噪聲約為93dB(A)（換算依據(jù)IEC60034-9-2003），符合GB10069.3-2006的標(biāo)準(zhǔn)值97dB(A)（聲功率級），但負(fù)載噪聲卻達(dá)到了101dB(A)（聲壓級），雖然標(biāo)準(zhǔn)中并未規(guī)定12極電機(jī)的負(fù)載噪聲值，但也能判定這是過大的噪聲。我們在第一次試制經(jīng)驗的基礎(chǔ)上采用了幾個降噪的方法，最終將負(fù)載噪聲控制在81dB(A)（聲壓級），成功降低了30dB(A)，甚至低于空載噪聲的標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 降低噪聲的意義

噪聲是造成環(huán)境的污染一個重要因素。電機(jī)產(chǎn)生的噪聲通常分為三類：機(jī)械噪聲、通風(fēng)噪聲和電磁噪聲。這其中電磁噪聲是隨著電機(jī)負(fù)載載荷的增加而增大的，其主要分量的頻率范圍通常為700～4000Hz，人的聽覺對這個頻率范圍的噪聲十分敏感，降低電機(jī)負(fù)載噪聲有利于保護(hù)我們的工作環(huán)境和生活環(huán)境。

1.3 電磁噪聲的判斷

利用人耳在通電和斷電時對聲音的對比，即可判斷是否存在電磁噪聲。接通電機(jī)電源，憑人耳仔細(xì)傾聽電機(jī)運轉(zhuǎn)的過程中是否發(fā)出尖銳的聲音，然后關(guān)閉電機(jī)電源繼續(xù)傾聽，如果之前聽到的尖銳聲音不再出現(xiàn)，即可判斷該電機(jī)在運轉(zhuǎn)過程中存在著電磁噪聲。如果關(guān)閉電機(jī)電源后，原來聽到的尖銳聲音仍存在，即可判斷該電機(jī)沒有較強(qiáng)的電磁噪聲。

1.4 理論分析

一般來說，電機(jī)噪聲分為三類。相對于轉(zhuǎn)速較高極數(shù)電機(jī)的高機(jī)械噪聲和通風(fēng)噪聲來說，12極電機(jī)由于額定轉(zhuǎn)速較低，電磁噪聲成為了電機(jī)運行中的主要噪聲來源。電磁噪聲的產(chǎn)生來源是由于電磁力波所引起的電磁振動。而電磁力波的產(chǎn)生是與繞組磁動勢以及氣隙磁導(dǎo)有關(guān)，其共同決定了電機(jī)的氣隙磁場，電機(jī)鐵心與其之間的作用產(chǎn)生了一系列的電磁力波。定子鐵心齒部會受到徑向分力和切向分力的作用，這些力是由氣隙磁密波作用產(chǎn)生的。其中徑向分力會引起鐵心的振動變形，這被認(rèn)為是電磁噪聲的主要來源。而切向分力會生成一個作用力矩，它與電磁轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)，會引起定子齒部的彎曲，從而產(chǎn)生振動變形，這被認(rèn)為是電磁噪聲的次要來源。電機(jī)負(fù)載運行狀態(tài)下電磁噪聲會明顯增大，這在高極數(shù)、大功率的電機(jī)中尤為明顯。

電機(jī)氣隙磁通的實際分部其實不是正弦的，而是含有諧波和基波，這是由于定轉(zhuǎn)子表面使用了開口槽，以及槽內(nèi)部磁動勢過于集中。這些諧波對電磁轉(zhuǎn)矩的影響是較大的，由于其互相作用會產(chǎn)生切向力，也會產(chǎn)生切向的電磁轉(zhuǎn)矩，并且還會形成徑向力，這些徑向力不斷的變化，隨時間和空間而變。在這種情況下，電機(jī)的氣隙中會有不同次數(shù)和頻率的徑向力波。

由于這些徑向力波對鐵心的作用，導(dǎo)致定子鐵心以及電機(jī)機(jī)殼，和轉(zhuǎn)子鐵心發(fā)生徑向位移形變，也就是產(chǎn)生振動。所謂的振動頻率即是這些力波的作用頻率，由于一般使用剛性軸，轉(zhuǎn)子鐵心的振動較小，只需要考慮機(jī)座和定子鐵心的振動情況即可。定子和機(jī)殼的振動會帶動周圍空氣有規(guī)律的脈動，從而引起氣載噪聲，這就是電磁噪聲的主要構(gòu)成。在不同階次的徑向力波中，尤其以低階次大幅值的徑向力波對電磁噪聲的影響為大。主要是由于低階次的力波所引起的鐵心彎曲力臂較長，這樣相對剛度會較差，從而會產(chǎn)生更大的徑向變形。所以說定子鐵心的變形量與力波階次數(shù)的四次方成反比，與徑向力波的幅值大小成正比。另外，還要考慮定子鐵心和機(jī)殼的固有頻率，如果固有頻率和徑向力波的頻率相近或者相同，電機(jī)振動值會大大上升，同時噪聲值會大大增加。

表1 我公司設(shè)計的低壓大功率12極立式電機(jī)系列產(chǎn)品性能參數(shù)

2 優(yōu)化方案設(shè)計

由以上的理論分析我們可以得知，為降低電機(jī)的電磁噪聲，首要任務(wù)是要消除低階次的徑向力波，而這其中作用最大的是選擇合適的定、轉(zhuǎn)子槽配合。另外，降低諧波也是一項重要的降噪手段，采用合理的斜槽可以達(dá)到這一目的。大多數(shù)高極數(shù)電機(jī)槽配合是選用轉(zhuǎn)子槽數(shù)多于定子槽數(shù)的方案，但是對于中小電機(jī)來說增加了轉(zhuǎn)子鑄鋁的難度，工藝性較差。根據(jù)Takashi Kobayashi推薦的低噪聲槽配合Z1=Z2+4P（Z1為定子槽數(shù)，Z2為轉(zhuǎn)子槽數(shù)，P為極對數(shù)）選用72/40槽配合。這樣設(shè)計便大大降低了對轉(zhuǎn)子工藝性的要求，隨之而來的是生產(chǎn)效率的提高。若希望降低作用于定子鐵心的徑向力，最有效果的辦法就是使用斜槽。在定子或者轉(zhuǎn)子上使用斜槽工藝，可以使徑向力波產(chǎn)生在電機(jī)軸線方向的相位移，從而降低電機(jī)的振動和電磁噪聲。通常來說，使用轉(zhuǎn)子斜槽更方便，工藝更簡單。本案例中將轉(zhuǎn)子槽沿外圓斜一個定子齒距。

從提高定子鐵心強(qiáng)度的角度來說，對定子疊片導(dǎo)磁面積的增加是一個有效的方法，通過定子軛部高度的降低以及定子槽型的縮減，都可提高定子強(qiáng)度。隨之而來的是鐵心振動的降低和輻射噪聲的減小。對于諧波幅值的削減，可以采用加大電機(jī)的氣隙的辦法。對于徑向力波幅值的降低，可以通過提高氣隙的均勻度來實現(xiàn)。由于增大氣隙會降低電機(jī)的功率因數(shù)，所以可以在性能指標(biāo)允許的范圍內(nèi)適當(dāng)加大氣隙。放大的氣隙還可以降低電機(jī)的溫升。在鐵心疊片的時候需要轉(zhuǎn)動沖片的方向，目的是避免由于硅鋼片厚度不均勻造成的鐵心磁場不對稱，因為磁場的不均勻會造成電磁噪聲的上升。同時這種方法也可以避免鐵心由于硅鋼片厚度不均造成的彎曲。還需要提高定子鐵心的壓裝質(zhì)量，采用更加合理的壓力值以及疊壓系數(shù)，以減小或消除沖片厚度差的影響。取消定子鐵心與機(jī)殼筋板的焊接，改為熱套工藝，選取合理的定子外圓與機(jī)殼內(nèi)筋的配合工差。在轉(zhuǎn)子鐵心的兩邊使用端部壓板，并且對端板齒部進(jìn)行折彎處理，以增強(qiáng)壓裝貼合力，避免疊片彈開，并對轉(zhuǎn)子外圓加工嚴(yán)格控制加工量，保證轉(zhuǎn)子沖片不倒片（表1）。

3 試驗結(jié)果

負(fù)載測試中，噪聲由101dB(A)降低至81 dB(A)（聲壓級），折算為聲功率級為96dB(A)，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的空載噪聲97dB(A)（聲功率級）。電機(jī)裝機(jī)后，客戶對噪聲優(yōu)化十分滿意，可以說遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于客戶的期望。這主要得益于定、轉(zhuǎn)子的槽配合十分合理，轉(zhuǎn)子斜槽的應(yīng)用，定子鐵心強(qiáng)度的提高，適當(dāng)加大氣隙減小了諧波幅值，提高了轉(zhuǎn)子的對中質(zhì)量，采用相應(yīng)的措施提高了定、轉(zhuǎn)子疊壓質(zhì)量等。

4 結(jié)語

根據(jù)電磁理論，對于高極數(shù)大功率電機(jī)可能產(chǎn)生電磁噪聲的原因進(jìn)行了分析，調(diào)整了優(yōu)化的設(shè)計方案，找出了降低電磁噪聲的關(guān)鍵點。主要有槽配合、斜槽、氣隙、定子鐵心強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子對中度、鐵心疊壓質(zhì)量等。根據(jù)具體的電機(jī)應(yīng)用和制造條件，可以有針對性的進(jìn)行調(diào)整和解決。

[1]Gieras Jacek F.Wang Chong，Lai Joseph Cho．Noise of Polyphase Electric Motors[M]． [S.1.]：Taylor&Framcis，2006．

[2]陳永校，諸自強(qiáng)，應(yīng)善成．電機(jī)噪聲的分析和控制[M]，杭州：浙江大學(xué)出版社，1987.

[3]Takashi Kobayashi．Effects of Slot Combination on Acoustic Noise from Induction Motors[J]，IEEE TRANSACTIONS 0N MAGNETICS，1997,33(2):2101～2104.

TM301.43

A

1671-0711（2017）03（上）-0059-02