異步電機(jī)電磁噪聲的槽配合方案優(yōu)化

禹利華　易靈芝　崔偉

摘要：

異步電機(jī)的電磁噪聲問題一直是國(guó)內(nèi)外各大電機(jī)制造公司面臨的難題，隨著高功率密度異步電機(jī)的出現(xiàn)，其電磁噪聲的解決將會(huì)更加困難。本文通過一臺(tái)高功率密度電機(jī)就電磁噪聲問題對(duì)所選槽配合進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比，制造出低噪聲高功率密度電機(jī)，希望能對(duì)同行有點(diǎn)幫助。

關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；電磁噪聲；電磁力波；槽配合；定子模態(tài)

中圖分類號(hào)：TM343.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Asynchronous motor electromagnetic noise problem has been the difficulties faced by domestic and foreign each big motor manufacturing company，with the emergence of high power density asynchronous motor，the electromagnetic noise will be more difficult to solve.In this paper，a high power density motor electromagnetic noise problem to optimize the selected slot coordination，make motor，low noise and high power density，hoping to provide a value of reference to the machine designer.

Key words：asynchronous motor；electromagnetic noise；electromagnetic force wave；slot coordination；stator mode

1引言

隨著電機(jī)的發(fā)展，在電機(jī)功率不變的情況下，電機(jī)的體積將會(huì)越來越小，這就是所謂的高功率密度電機(jī)。在此情況下，在設(shè)計(jì)階段就會(huì)出現(xiàn)一些問題，比如電磁噪聲問題，該問題在傳統(tǒng)電機(jī)上就一直是國(guó)內(nèi)外各大制造廠家所面臨的難題，隨著電機(jī)功率密度的增加，電機(jī)氣隙中的磁通密度會(huì)增加，導(dǎo)致電磁力波幅值大大增加，由于電磁力波的頻率一般是在中高頻階段，機(jī)座壁板很難做到很好的隔聲效果，那么就會(huì)導(dǎo)致電磁噪聲增加，該聲音很難聽會(huì)導(dǎo)致人內(nèi)心變得煩躁不安；甚至某些客戶在訂購電機(jī)時(shí)專門要求電機(jī)運(yùn)行時(shí)在某頻率下的噪聲限值，以便避開敏感的電磁頻率。另外國(guó)家環(huán)保要求工作環(huán)境不得超過聲壓級(jí)85 dB以及電機(jī)行業(yè)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)等，因此，電磁噪聲問題是必須要解決的問題。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電磁頻率與電機(jī)定子固有頻率近似并且階次相同時(shí)，電機(jī)就會(huì)發(fā)生共振[1-6]。如果電磁力波幅值很高，該電磁共振是可以導(dǎo)致電機(jī)部件損壞甚至電機(jī)運(yùn)行癱瘓，給客戶造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；因此對(duì)于高功率密度電機(jī)，避開電磁共振是非常重要的指標(biāo)。本文將通過實(shí)例介紹針對(duì)電磁噪聲的槽配合選擇方法，希望能為廣大同行提供有用的參考價(jià)值。

2電磁力波分析

電磁力波是電磁振動(dòng)和電磁噪聲的激勵(lì)波，計(jì)算電磁力波是研究電磁噪聲的基礎(chǔ)。本文基于磁導(dǎo)分析法，分析異步電機(jī)徑向電磁力的諧波含量，物理概念清晰。根據(jù)馬克斯韋定律，在氣隙中的任意一點(diǎn)作用著一個(gè)徑向力，該徑向力在定子鐵芯內(nèi)表面單位面積上正比于磁通密度的平方，而磁通密度是磁勢(shì)與磁導(dǎo)的乘積，計(jì)算公式如下[7-11]。

pr（θ，t）=br2（θ，t）2μ0（1）

式中：pr（θ，t）—徑向電磁力波（牛/米2）；

br（θ，t）—徑向磁通密度（特）；

μ0=4π×10-7—空氣磁導(dǎo)率（亨/米）

由式（1）可見徑向磁通密度波之間相互作用（即相乘）可產(chǎn)生徑向電磁力波，如一個(gè)極對(duì)數(shù)和頻率分別為ma和fa的磁通密度波和另外一個(gè)極對(duì)數(shù)和頻率分別為mb和fb的磁通密度波相互作用產(chǎn)生力波的階次和頻率分別為ma±m(xù)b和fa±fb。主要徑向磁通密度波見表1，而由氣隙磁通密度波相互作用產(chǎn)生的電磁力波見表2.

異步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)中幅值較大的諧波往往是定子齒諧波和轉(zhuǎn)子齒諧波，定子齒諧波主要是由基波磁動(dòng)勢(shì)和定子齒諧波磁導(dǎo)引起，轉(zhuǎn)子齒諧波主要由基波磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子齒諧波磁導(dǎo)引起。定轉(zhuǎn)子齒槽相互作用產(chǎn)生的諧波主要由基波磁動(dòng)勢(shì)和定轉(zhuǎn)子齒槽相互作用產(chǎn)生氣隙磁導(dǎo)引起。飽和諧波主要由基波磁動(dòng)勢(shì)和飽和磁導(dǎo)引起[9]。

表2中徑向電磁力波解析表達(dá)式中極對(duì)數(shù)和頻率是由表1中推導(dǎo)出來的，比如一個(gè)極對(duì)數(shù)和頻率分別為ma和fa的磁通密度波和另外一個(gè)極對(duì)數(shù)和頻率分別為mb和fb的磁通密度波相互作用產(chǎn)生力波的階次和頻率分別為ma±m(xù)b和fa±fb，在表2中kst、krt和c取值均為

±1，±2，±3，…，ksa取值1，2，3。

當(dāng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子槽配合確定后，就可以按照表2中的公式進(jìn)行計(jì)算分析電磁力波的階次和頻率作基本預(yù)測(cè)。

3實(shí)例分析應(yīng)用

本文針對(duì)高功率密度電機(jī)型號(hào)為YXKK63012 2500 kW 6 kV電機(jī)電磁噪聲進(jìn)行槽配合優(yōu)化選擇，所選用的槽配合分別為90/112、108/83、108/128、108/134、72/95五種槽配合方案進(jìn)行計(jì)算分析。

31槽配合優(yōu)化選擇

不同槽配合電磁力波計(jì)算結(jié)果見表3。表3中不同階次、不同頻率的電磁力波均有同階次、頻率近似的鐵心模態(tài)振型，在此基礎(chǔ)上分析哪種槽配合的電磁力波會(huì)產(chǎn)生最小的電磁噪聲，然后加以應(yīng)用；在均有同階次、頻率近似的定子鐵心模態(tài)振型且電磁力波頻率在700 Hz～1250 Hz范圍前提下判斷的原則如下：1、力波階次越高、幅值越小所產(chǎn)生的電磁噪聲越?。?、對(duì)于很多不同階次但其頻率都相對(duì)集中的最好避免使用；endprint

在上述兩個(gè)原則下我們選擇槽配合108/128。

這里需要加以說明的是，表3所列電磁力波并非計(jì)算的所有電磁力波分量，這里只是選擇了階次較低、幅值百分比較高的電磁力波，因?yàn)樗鼈儾艜?huì)對(duì)電磁噪聲有影響，而沒有列出的力波分量對(duì)電磁噪聲的影響可以忽略。

31槽配合108/128電磁噪聲實(shí)測(cè)頻譜

電機(jī)型號(hào)為YXKK63012 2500 kW 6 kV的高功率密度電機(jī)，定轉(zhuǎn)子槽配合選擇108/128，電機(jī)外形圖見圖1所示，噪聲測(cè)量時(shí)以此按照測(cè)量點(diǎn)1、測(cè)量點(diǎn)2、測(cè)量點(diǎn)3、測(cè)量點(diǎn)4逆時(shí)針順序進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)量的噪聲聲壓級(jí)噪聲以次為78.8 dB、76.9 dB、81.1 dB、76 dB、空載運(yùn)行時(shí)基本聽不到電磁噪聲；該電機(jī)槽配合選擇成功。

為了分析驗(yàn)證所計(jì)算的電磁噪聲頻率是否正確，現(xiàn)以測(cè)量點(diǎn)2（出線盒側(cè)）噪聲頻譜進(jìn)行分析見表4。

由于頻譜測(cè)量采用1/3倍頻程，因此所測(cè)頻率不會(huì)與計(jì)算值完全一樣。由表4可看出，在斷電前后，以1000 Hz的噪聲變化最大，很明顯該頻率為電磁噪聲的近似主頻率，與表3中序號(hào)3內(nèi)容做比較可發(fā)現(xiàn)，測(cè)量的電磁噪聲值與計(jì)算是吻合的。

實(shí)際上在表3中，對(duì)于序號(hào)3里的內(nèi)容4階的力波是可以不考慮的，因?yàn)槠浞当炔淮蠖译A次相比較較高。因此對(duì)電磁力波計(jì)算結(jié)果只需考慮其1階和2階的，而他們的頻率才決定了所測(cè)量的電磁噪聲頻率。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，針對(duì)該高功率密度電機(jī)，選擇合適的定轉(zhuǎn)子槽配合成功地解決了該電機(jī)電磁噪聲問題。

本文通過對(duì)高功率型號(hào)為YXKK630-12 2500 kW 6 kV進(jìn)行槽配合優(yōu)化選擇，成功解決了該電機(jī)電磁噪聲問題。希望能為廣大同行提供點(diǎn)解決電磁噪聲問題的思路。

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