異步電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)噪聲自動(dòng)抑制方法

柴大鵬，王曉雯，2

(1. 山西大學(xué)電力與建筑學(xué)院，山西 太原 030013；2. 山西大學(xué)電子信息工程系，山西 太原 030013)

1 引言

異步電動(dòng)機(jī)又被稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，由意大利物理學(xué)家費(fèi)拉里斯在1885年發(fā)明的，其本質(zhì)為交流電動(dòng)機(jī)，也就是在電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中，由電機(jī)的氣隙旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電流之間相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換的過程，為艦船、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域普遍使用的動(dòng)力源[1]?，F(xiàn)階段，因其使用成本較低，安全性能較高，在大功率驅(qū)動(dòng)中得到較為廣泛的應(yīng)用。因此抑制其電磁振動(dòng)噪聲也逐漸成為了熱門的研究內(nèi)容。

電動(dòng)機(jī)噪聲大致可分為電磁噪聲、機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲等，導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生的相關(guān)因素較為復(fù)雜多樣，其中大致包含了電磁、機(jī)械振動(dòng)、物理學(xué)等相關(guān)的各種復(fù)雜理論，同時(shí)電動(dòng)機(jī)自身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也增加了抑制電磁振動(dòng)噪聲的困難性。一般情況下，產(chǎn)生機(jī)械噪聲的主要原因是由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部分或零件相互摩擦、撞擊及結(jié)構(gòu)共振形成[2]。特殊情況下，可能是由于電動(dòng)機(jī)各組成部分裝配不平衡導(dǎo)致的。機(jī)械原因引起的噪聲種類較多，主要?dú)w結(jié)于電機(jī)加工工藝、加工精度等，大部分是由電動(dòng)機(jī)的電刷、轉(zhuǎn)向器、軸承、轉(zhuǎn)子、通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生[3]。電磁噪聲是在電機(jī)運(yùn)行之后，由于氣隙磁場脈沖引起了定子和轉(zhuǎn)子及整個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)而產(chǎn)生的低頻噪聲，其值主要與電磁負(fù)載和電動(dòng)機(jī)各部分配件的分配質(zhì)量相關(guān)。電磁振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲大部分為結(jié)構(gòu)噪聲，大致可分為恒定電磁噪聲和負(fù)載磁噪聲兩大類，其主要的產(chǎn)生原因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子之間的槽配合不合適，電動(dòng)機(jī)的磁通氣隙過小或定子、轉(zhuǎn)子偏心等。

為對異步電機(jī)的電磁振動(dòng)進(jìn)行抑制，同時(shí)降低電機(jī)的振動(dòng)噪聲，本文提出了一種異步電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)噪聲自動(dòng)抑制方法。首先分析電磁振動(dòng)中基波磁場產(chǎn)生的倍頻力波和定轉(zhuǎn)子諧波磁場產(chǎn)生的徑向力波，得出提高力波階數(shù)能夠一定程度對噪聲進(jìn)行抑制的結(jié)論，為減少階數(shù)較小的力波，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子槽數(shù)必須與定子槽數(shù)配合適當(dāng)，反之則可能產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)矩，從而導(dǎo)致產(chǎn)生較大的振噪聲，因此選擇恰當(dāng)?shù)牟叟浜嫌葹橹匾?。在對力波的研究基礎(chǔ)上，由于異步電動(dòng)機(jī)的不同部位和零件的振動(dòng)頻率不同，可以針對其各自特征，采取特定的抑制方法，通過選擇最優(yōu)的槽配合、合適繞組、加大磁通氣隙減小氣隙密度、選用轉(zhuǎn)子斜槽等方法完成對異步電動(dòng)機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲的抑制。為驗(yàn)證本文方法的有效性，對樣機(jī)進(jìn)行噪聲測試，實(shí)驗(yàn)證明本文方法能夠充分有效的抑制異步電動(dòng)機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲，并且操作簡單可行，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 異步電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)分析

針對電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲問題，可以通過搭建多物理場模型來進(jìn)行研究與分析，首先通過二維電磁有限元獲得不同時(shí)間條件下的電磁力大小，然后在結(jié)構(gòu)場中進(jìn)行模態(tài)分析，從而獲得電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)的波頻特征，最后建立電磁輻射區(qū)的聲場模型，以其振動(dòng)響應(yīng)的結(jié)果為基礎(chǔ)，對輻射區(qū)的噪聲情況進(jìn)一步進(jìn)行分析。通過分析表明異步電機(jī)[4]在運(yùn)行過程中，因主磁通徑向穿過氣隙，產(chǎn)生徑向力，導(dǎo)致電磁振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。氣隙磁場[5]中產(chǎn)生的徑向力只要包括基波磁場產(chǎn)生的倍頻力波和定轉(zhuǎn)子諧波磁場產(chǎn)生的徑向力波，其具體階數(shù)和頻率如表1所示。

表1 氣隙中電磁力波分析

表1中，f表示電源頻率，s表示轉(zhuǎn)差率，p表示極對數(shù)，Z表示轉(zhuǎn)子槽數(shù)。從表1可以看出，階數(shù)越高，產(chǎn)生的噪聲越小。因此，振型為0、1、2、3、4的振動(dòng)可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的噪聲?；ㄉa(chǎn)的力波的振動(dòng)頻率是電源頻率的2倍，是電機(jī)振動(dòng)的主要分量之一，因其是由氣隙磁場基波產(chǎn)生的，因而無法避免。但其波頻較低，A計(jì)權(quán)會(huì)有所減弱，所以對噪聲和振動(dòng)A計(jì)權(quán)影響較小。和轉(zhuǎn)定子諧波[6]子諧波互相作用產(chǎn)生的力波波頻較高，為A計(jì)權(quán)值及噪聲的主要成分，因此是研究噪聲抑制的主要研究內(nèi)容。

現(xiàn)階段，對定子振動(dòng)特征的研究較少，因此本文通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析異步電機(jī)電磁振動(dòng)[7]噪聲產(chǎn)生的各個(gè)影響因素。

圖1 異步電機(jī)振動(dòng)峰值及頻率

圖1表明，電磁振動(dòng)的波型是一種近似正弦波，但是其波頻不止一種，與軸承引起的機(jī)械類振動(dòng)波相互疊加導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)表面發(fā)生了振動(dòng)。

3 電磁振動(dòng)噪聲自動(dòng)抑制方法

電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生不同種類的噪聲，其主要原因是不同部位和零件的振頻不同，這些噪聲之間一般沒有聯(lián)系，可以針對其各自特征，采取特定的抑制方法。

較大階數(shù)力波會(huì)導(dǎo)致磁場幅值較小，因此，提高力波階數(shù)能夠一定程度對噪聲進(jìn)行抑制。則假設(shè)濾波產(chǎn)生的濾波階數(shù)[8]為

n=μ±v

(1)

式中v為定子諧波次數(shù)；μ為轉(zhuǎn)子諧波次數(shù)。

當(dāng)每極每相槽數(shù)滿足于

q1=Z1/2pm

(2)

式(2)中，Z1表示定子槽數(shù)，m表示定子相數(shù)，p代表極對數(shù)[9]。當(dāng)q1為整數(shù)時(shí)則

v=(6q′+1)p，q′=±1，±2，…

(3)

齒諧波[10]vz的磁振幅較大，是機(jī)電磁噪聲的主要分析內(nèi)容，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可做如下描述

vz=kZ1+p，k=±1，±2，…

(4)

當(dāng)q1表示成分?jǐn)?shù)時(shí)，設(shè)q1=Q1/d1，則Q1和d1沒有公因數(shù)，則d1表示奇數(shù)時(shí)，v=(6q′+1)p/d1，d1表示偶數(shù)時(shí)，v=(3q′+1)2p/d1，則轉(zhuǎn)子諧波次數(shù)可表示為：

μ=q″Z2+v，q″=±1，±2，…

(5)

為減少階數(shù)較小的力波，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子槽數(shù)必須與定子槽數(shù)配合適當(dāng)，反之則可能產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)矩，從而導(dǎo)致產(chǎn)生較大的振噪聲，因此選擇恰當(dāng)?shù)牟叟浜蟍11]尤為重要。本文在考慮槽配合的同時(shí)也將定子的固有波頻考慮在內(nèi)，以防止過度共振，帶來的機(jī)械噪聲。不同槽配合產(chǎn)生的力波如下表：

表2 36/30槽配合電磁力波表

表3 36/44槽配合電磁力波表

從表2、表3中可以看出，36/30槽配合的最小階數(shù)為2，36/44的槽配合最小階數(shù)為4，在同一定子結(jié)構(gòu)的條件下，4階模態(tài)的固有頻率要高于2階，更不容易引起振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。所以36/44槽配合的噪聲抑制效果要優(yōu)于36/30。

加大氣隙可以有效減小諧波磁場的振幅降低噪聲，根據(jù)對聲功率、振動(dòng)幅值和徑向力[12]三者的相互關(guān)系的研究分析得出三者的關(guān)系如下

(6)

(7)

則磁場密度從B1降到B2時(shí)，聲功率級(jí)可降至

(8)

氣隙從δ1增至δ2時(shí)，則聲功率級(jí)可降至

(9)

異步電動(dòng)機(jī)的噪聲隨著磁場密度變化情況如表4所示。

但是加大氣隙會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的功率下降，致使電動(dòng)機(jī)的空載電流增大，從而會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)過度損耗問題，因此在加大氣隙的同時(shí)，也需綜合考慮各方面的相關(guān)因素。

電動(dòng)機(jī)的定子繞組節(jié)距選擇適當(dāng)，可以抑制相帶諧波，研究表明正弦繞組更適用于減小噪聲。正弦繞組是通過“Δ-Y”的方式進(jìn)行串聯(lián)的，Y繞組滯后于Δ30°，則可以得出IY為：

(10)

則正弦繞組的諧波磁動(dòng)勢幅值可以表示為

Fmv=Fmv(Δ)+(-1)asd(K)Fmv(Y)

(11)

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證異步電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)噪聲自動(dòng)抑制可行性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對噪聲進(jìn)行測試時(shí)，一般通過測試電機(jī)周圍的噪聲聲壓，來研究電機(jī)輻射的噪聲。使用 AWA6228 多功能聲級(jí)計(jì)對 LQTB-1 永磁同步電機(jī)進(jìn)行噪聲測試試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境如下所示。

圖2 消音室內(nèi)測試環(huán)境

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證斜槽能夠有效的抑制噪聲，在異步電機(jī)上進(jìn)行了斜槽轉(zhuǎn)子對電磁振動(dòng)影響的對比實(shí)驗(yàn)。一般情況下，其斜率可以表示為一個(gè)定子槽距，如下圖：

圖3 電機(jī)直槽和斜槽對比圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 斜槽對電磁振動(dòng)影響對比圖

由上圖可以看出，斜槽后齒槽轉(zhuǎn)矩整體波形變得更為平滑，波動(dòng)幅值明顯變小。電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩在 2.4091m Nm—-2.0315m Nm 范圍內(nèi)波動(dòng)，更小幅值的齒槽轉(zhuǎn)矩疊加在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中，將會(huì)使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，從而抑制電機(jī)的電磁噪聲。

當(dāng)斜槽或斜極時(shí)，零階徑向力與斜槽系數(shù)減小，則斜槽系數(shù)為

(12)

式(12)中bsk表示斜槽距離，Z代表槽數(shù)，t代表槽距，那么斜極系數(shù)為

(13)

式(13)中，γ代表極距，p代表極對數(shù)。

則斜槽或斜極的聲功率級(jí)變化為：

ΔL=10lg(KSK)2=20lgKsk

(14)

上述電磁力功率級(jí)值計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 電機(jī)聲功率級(jí)

由上表可以看出，從表中看出 165Hz 電磁噪聲最顯著。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文異步電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)噪聲抑制方法的有效性，在165Hz下，用本文方法構(gòu)造了36/44槽配合的樣機(jī)，并在其空載和負(fù)載狀態(tài)下分別進(jìn)行了噪聲聲壓測試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 樣機(jī)空載通電前后噪聲聲壓級(jí)

通過圖5可以看出，空載異步電機(jī)樣機(jī)在通電和斷電瞬間噪聲頻譜沒有發(fā)生明顯變化，不存在較為突出的噪聲分量，因此可以證明通過改變轉(zhuǎn)子槽數(shù)可以有效的抑制樣機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲。

不同斜槽的異步電機(jī)的磁振動(dòng)頻率與產(chǎn)生噪聲之間的影響數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 不同斜槽下的電磁振動(dòng)頻率及噪聲數(shù)據(jù)

表6中的數(shù)據(jù)能夠充分證明斜槽能夠有效的降低電磁振動(dòng)幅度，從而減少異步電動(dòng)機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲。

電機(jī)在負(fù)載狀態(tài)下，電磁的負(fù)荷與空載狀態(tài)下相比產(chǎn)生了較大的變化，因此電機(jī)的振動(dòng)也加劇，致使電機(jī)的負(fù)載噪聲也隨之增大，為驗(yàn)證本文樣機(jī)在空載及負(fù)載狀態(tài)下噪聲情況，將本文樣機(jī)與傳統(tǒng)異步電機(jī)的電磁振動(dòng)作對比分析，對比數(shù)據(jù)結(jié)果如表7所示。

表7 不同電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)對比表

從表7中可以看出本文樣機(jī)的振幅較低，產(chǎn)生噪聲較小。主要原因在于本文方法根據(jù)電磁振動(dòng)中基波磁場產(chǎn)生的倍頻力波和定轉(zhuǎn)子諧波磁場產(chǎn)生的徑向力波，得出提高力波階數(shù)能夠一定程度對噪聲進(jìn)行抑制，降低電磁振動(dòng)振幅。

5 結(jié)論

異步電動(dòng)機(jī)的噪聲產(chǎn)生因素有很多種，其中大致涉及到電磁、機(jī)械振動(dòng)、物理學(xué)等各種的復(fù)雜理論，為抑制和改善異步電動(dòng)機(jī)的電磁振動(dòng)，降低電機(jī)負(fù)載噪聲，本文提出了一種異步電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)噪聲自動(dòng)抑制方法。首先對電磁振動(dòng)中基波磁場產(chǎn)生的倍頻力波和定轉(zhuǎn)子諧波磁場產(chǎn)生的徑向力波進(jìn)行分析研究，得出提高力波階數(shù)能夠一定程度的對噪聲進(jìn)行抑制，為減少階數(shù)較小的力波，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子槽數(shù)必須與定子槽數(shù)配合適當(dāng)，反之則可能產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)矩，從而導(dǎo)致產(chǎn)生較大的振噪聲，因此選擇恰當(dāng)?shù)牟叟浜嫌葹橹匾Ｈ缓笤趯αΣǖ难芯炕A(chǔ)上，考慮到電動(dòng)機(jī)的不同部位和零件的振頻不同，可以針對其各自特征，采取特定的抑制方法，因此通過選擇最佳槽配合及合適繞組、加大磁通氣隙、選用轉(zhuǎn)子斜槽等方法完成對異步電動(dòng)機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲的抑制。實(shí)驗(yàn)條件下，對樣機(jī)進(jìn)行噪聲測試，證明本文方法能夠充分有效的抑制異步電動(dòng)機(jī)的電磁振動(dòng)噪聲，并且操作方法簡單可行，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。