風力發電機振動和噪聲控制措施探討

張瑩博，潘磊，張啟應

（國電聯合動力技術有限公司，北京 100039）

風力發電機振動和噪聲控制措施探討

張瑩博，潘磊，張啟應

（國電聯合動力技術有限公司，北京 100039）

本文簡述了風電機組的噪聲源，著重分析了風電機組的噪聲源及產生振動和噪聲的因素，并針對這些因素提出了在工藝方面的解決措施。

風電機組；振動；噪聲；工藝控制

0 引言

風能開發能減輕空氣污染和水污染，但如果處理不當，則會增加噪聲污染。近幾年，隨著風電機組國產化程度的不斷擴大，我國制造業與歐美發達國家還存在一定的差距，國產化風電機組振動噪聲問題逐漸顯現出來。風電場附近居民對風電機組產生大噪聲煩擾的投訴、申告也越來越多，甚至威脅到風電機組的正常國產化。因此，風電機組的減振降噪控制是非常重要和必要的[1]。

振動和噪聲是風電機組重要的技術衡量指標之一，如何降低風電機組的振動和噪聲是風力發電行業中普遍存在的問題。噪聲來源于振動，機組的振動來源于每個關鍵部件的振動。作為風電機組關鍵零部件之一的風電機組的振動更是重中之重。要降低風電機組的噪聲，首先就要減小其振動，風電機組的振動可以分為電磁振動、機械振動和通風散熱引起的振動。除設計因素外，工藝措施的改進對電機振動和噪聲的抑制起著重要作用。

1 噪聲源分析

1.1 電磁噪聲

電磁噪聲是風電機組的主要噪聲源之一[2]，在多極數的風電機組中，電磁噪聲顯得比較突出。一般情況下隨著發電機功率的增大而增大。電磁噪聲與發電機的電磁設計參數密切相關，如果設計不當，電磁噪聲將會十分顯著。因此，通過電磁參數的設計及工藝處理，研究降低電磁噪聲的措施是非常必要的。

1.2 機械振動噪聲

機械振動噪聲主要包括軸承噪聲、轉子不平衡及碳刷與集電環摩擦所引起的噪聲[3]。

1.2.1軸承噪聲

滾動軸承由軸承內圈、滾珠、滾珠保持架和軸承外圈組成。軸承外圈不轉動，軸承內圈和轉子一起旋轉，而滾珠在軸承內圈的滾道和軸承外圈的滾道及保持架中滾動旋轉，保持架又被滾動旋轉著的滾珠帶動旋轉。因此，軸承內外圈滾道中的波紋、凹坑、粗糙度、潤滑脂質量的優劣、安裝誤差均是產生軸承噪聲的關鍵因素。

1.2.2轉子不平衡引起的噪聲

高轉速電機的轉子必須嚴格地進行動平衡校驗，以減少轉子殘余不平衡量，轉子不平衡噪聲的頻率等于轉子旋轉頻率。雖然頻率不高，一般在400Hz以下，但由于引起電機振動，從而使各部分的噪聲增大。當轉子的動平衡精度達到G2.5級時，轉子不平衡所引起的噪聲和振動都能顯著地得到改善。

1.2.3碳刷與集電環摩擦的噪聲

由于碳刷壓在旋轉的集電環上，如果碳刷的材質和集電環的使用不能匹配，這時候碳刷和集電環之間可能會產生氣墊，會產生鳴音。

1.3 通風噪聲

通風噪聲主要由于風扇轉動（包括發電子轉子風扇、冷卻器風扇、集電環冷卻器風扇），使空氣流動、撞擊、摩擦而產生。噪聲大小決定于風扇大小、形狀、電機轉速高低和風阻風路等情況。

空氣噪聲的基本頻率fν:fν=N·n/60(Hz)

其中，N-風扇葉片數；n-電機轉速（rpm）。

風扇直徑越大，噪聲越大，減小風扇直徑10%，可以減小噪聲2dB－3dB，但隨之冷量也會減少。當風葉邊緣與通風室的間隙過小，就會產生笛聲。如果風葉形狀與風扇的結構不合理，造成渦流，同樣也會產生噪聲。由于風扇剛度不夠，受氣流撞擊時發生振動，也會增加噪聲。此外，轉于有凸出部分，也會引起噪聲。

2 噪聲形成原因及降噪措施

2.1 針對電磁設計的降噪措施

2.1.1 選擇合適的定轉子槽配合

振動階數較低、幅值較大的力波對電機的振動和噪聲起主要作用。力波階數較大時，可以不予考慮。此外，當力波階數較低，但是產生該力波的磁場諧波次數較大時，磁場幅值小，也可以不予考慮。因此，從減小力波降低電機噪聲來考慮，盡量使得能夠出現較高階數的力波[3]。

振動力波階數為：

式中：ν為定子繞組諧波次數；μ為轉子繞組諧波次數。

當每極每相槽數q1=Z1/2pm（其中：Z1為定子槽數，m為定子相數，p為極對數）為整數時，

齒諧波νz的磁勢幅值一般較大，是分析計算電機電磁噪聲的主要分量，

當q1為分數時，設q1=Q1/d1，且Q1、d1之間沒有公因子，則

對于鼠籠式轉子繞組磁勢諧波次數

當研究轉子齒諧波時，可以令ν=p。

對于三相繞組式轉子，當整數槽時，d2=1；當分數槽時，q2=Q2/d2，且Q2、d2之間沒有公因子，則

我們應當選擇適當的槽配合，以減少較小階數的力波，這里主要考慮齒諧波中n＜5的情況。同時，還應該考慮力波頻率和定子固有頻率，以避免共振。

在各次諧波中，齒諧波特別是一階齒諧波影響重大，一方面是由于齒諧波繞組系數與基波一致，不容易采取短距以及分布繞組予以削弱，幅值也相對較大；另一方面在齒槽配合選用不當時，齒諧波產生的電磁力波次數很低，產生較大的徑向力。另外，由于異步電機氣隙小，轉子更容易產生多種諧波，所以電磁噪聲問題相對來說比較突出。尤其是電磁噪聲頻率主要是與轉子齒頻率成倍數的頻率，此頻率正處在人耳敏感的頻率范圍，更使人感到干擾和吵人，所以設計時要特別注意定、轉子槽配合的選擇。

2.1.2 斜槽的方式

斜槽時，作用在定子上軸向零階的徑向力與斜槽系數成正比減小[4-5]。

斜槽系數為：

式中：bSK為斜槽距離，Z為定（轉子）槽數，t為定（轉）子槽距。

斜槽前后的聲功率級的變化為：

實際風電機組噪聲的降低要小于上式求得的值，因為以上討論忽略了扭轉力矩和軸向非零階徑向力產生的振動。一般的風電機組采用定子斜槽，如圖1所示。

2.1.3 控制有效氣隙的均勻性

氣隙偏心有兩種情況，一種是靜態偏心，一種是動態偏心，兩種偏心都會產生振動而形成噪聲。

靜態偏心是不隨轉子轉動而偏心的，只要生產出來的電機都會有靜態偏心存在，行業規定一般情況下氣隙偏心控制在±10%以內。氣隙的偏心使磁拉力不均勻，嚴重時產生很大的單邊磁拉力。此種氣隙偏心會產生更加惡劣的電磁振動特性。

動態偏心是因為轉軸撓曲、轉子鐵芯不圓、或端蓋軸承室與軸承配合有間隙等一些機械原因造成。但是這些機械原因產生了不平衡機械力，產生機械振動加劇了不平衡的電磁力，不平衡振動導致了電磁噪聲。

電磁噪聲的聲壓級與氣隙長度的平方成反比，也與氣隙磁密的平方成正比，所以設計時要考慮合理的氣隙值。選取氣隙值的選取考慮噪聲外，同時要兼顧電機的其他性能指標。因為氣隙變化后，相應激磁電流、定子電流、銅耗、啟動電流、功率因數、效率、溫升和轉速都有很大的影響，為了保證在不影響其他性能的前提下，在機械加工方面和裝配上更加嚴格，要求“三同心”——機殼、端蓋的鐵芯擋與軸承室的同心度、轉子外圓與軸承擋的同心度、定子內外圓的同心度。采取更高等級的轉子靜平衡和動平衡矯正，以保證氣隙的均勻性。

2.2 針對機械結構的降噪措施

2.2.1 提高轉子動平衡的精度

在發電機的轉子結構中有轉軸、風扇、繞組和集電環等結構。轉子在高速旋轉時，由于制造原因產生的轉子上零部件的不對稱因素都會引起轉子不平衡量的變化。比如硅鋼片材料不均勻引起轉子鐵芯的偏心、焊接質量問題引起的風扇不平衡、轉子接線焊接時焊料不均勻和轉子浸漆的工藝方法不對引起漆的浸入不均勻等都可以引起轉子不平衡導致振動，從而產生噪聲，振動嚴重時可能出現斷軸等重大事故。

所以對以上可能產生轉子不平衡因素的工藝流程嚴加管理。對風扇的出廠前要求做靜平衡試驗，并有相關報告；轉子鐵芯疊壓采用定量轉角的方式，即沖片疊壓完成一定厚度后旋轉一定的角度疊壓；轉子接線的位置盡量在圓周角度均布，焊接時選用熟練的焊工進行操作；浸漆后的烘焙采用立烘或是旋轉式臥烘。保證以上工藝正確完成后，整個轉子做動平衡試驗時，嚴格按照操作手冊及標準進行試驗，平時嚴格按照規定對動平衡機進行使用、維護和保養。

2.2.2 提高零部件的加工精度與要求

定、轉子疊壓采用定重量、定長度、定壓力的方法來保證鐵芯疊壓的質量。

圖1 定子斜槽示意圖

轉軸軸承擋、端蓋軸承室的加工精度和表面粗糙度也影響定、轉子之間的同軸度，只是間隙不均勻，產生單邊磁拉力，電磁振動增加，噪聲勢必也會增加。因此對轉軸軸承擋、端蓋軸承室的精加工工序設立質量控制點，實施重點控制。

2.2.3 軸承等其他結構的裝配

在機械振動方面，軸承的影響是不可忽視的因素[6]。軸承本身的問題主要有軸承內外圈的粗糙度、圓度，彈簧槽的波紋度、滾珠的圓度、粗糙度、硬度，軸承的游隙，保持架的材料，潤滑脂和清潔劑的選擇，軸承的清洗、加熱、裝配等都會對軸承產生影響。因此，軸承進廠必須進行檢驗，并留下檢驗記錄，裝配前應清洗并涂上干凈的潤滑脂。

轉軸軸承擋和端蓋軸承室與軸承內外圈的配合公差和粗糙度對發電機的振動有很大影響。軸承擋和軸承室與軸承的配合質量影響軸承的工作游隙，影響軸承在裝配后的變形，從而影響軸承的振動。嚴格控制軸承擋和軸承室精加工的質量，對于降低電機振動和噪聲是有效的。

作為常規的雙饋式風電機組，空氣冷卻器是發電機的一種重要部件。發電機工作時，冷卻為發電機工作產生的熱量進行冷卻和熱交換，但是，冷卻器需要兩臺小風機產生空氣的對流，必然產生強烈的振動。如果冷卻器的振動頻率和發電機本體的振動頻率有重合點就會產生共振，就會造成噪音的劇烈增加，因此在冷卻與發電機機座進行裝配時進行必要的減振和密封措施。

2.3 針對通風系統的降噪措施

在雙饋風電機組中，通風的噪聲主要來源于三個位置，轉子上的冷卻風扇、空冷器的冷卻風扇和滑環室的冷卻風扇[7]。

2.3.1 轉子冷卻風扇及相關部件的設計措施

轉子冷卻風扇在發電機內部主要起內部空氣循環線路的作用，一般有單循環（一個風扇）和雙循環（兩個風扇）。為了使內部空氣順暢的流動而且不產生渦流現象，需要將發電機殼內部設計成流線型的風路，或是在內部設計相應的導流板設計，這樣子可以有效的降低空氣阻尼，可以有效地降低由于不合理的風路設計而造成的內部的通風噪聲。而且還可能會使機殼產生相應的振動，避免更嚴重的振動或噪聲產生。

2.3.2 空冷器冷卻風扇的設計或工藝措施

從目前實際運行的雙饋式風電機組來看，風電機組的振動及噪聲問題最嚴重的部位就是空冷器冷卻風電機組的設計安裝問題。振動嚴重會產生不平衡的空氣噪聲，如果長時間運轉，惡劣的振動會造成冷卻電機的損壞。

2.3.2.1 冷卻風扇的設計問題

目前常用的風扇型式有大刀式、盆式、后傾式和流線型后傾式。根據某單位研究，某型號的發電機的風扇在同樣的風量情況下，大刀式比盆式的噪聲大4dB，風磨耗為盆式的1.46倍。大刀式又有徑向式和后傾式，根據資料介紹，大刀式后傾式噪聲比徑向式小1dB。盆式也有徑向和后傾式，根據資料介紹，后傾角30°時，噪聲比徑向式低2.3dB；后傾角45°時，噪聲比徑向式降低3dB。因此在設計時，要通過選擇設計合適的風扇類型來降低電機噪聲。

2.3.2.2 冷卻風電機組與空冷器的裝配問題

從冷卻風電機組的噪聲分析，空冷器的振動問題造成的振動產生噪音，嚴重時可能會出現冷卻電機的振動損壞或是葉片斷裂的情況。

在風電機組整機的安裝中，為了降低發電機的振動對機架振動的影響，或是避免相應的振動，發電機與機架的安裝采用彈性阻尼的安裝方式，這樣子可以有效的降低振動或是吸收相互振動的影響。在發電機中，冷卻器與機座的安裝之間也使用發泡海綿或是其他吸振降振措施，而在冷卻風電機組與冷卻器本體的安裝中是直接剛性連接，如果共振就會產生嚴重的噪音，而且振動會使電機軸承、地腳或是風扇葉片斷裂等嚴重事故。所以在冷卻器與風力發電機座安裝方面可以參考發電機與機架的安裝或是參考冷卻器與機座的安裝方式，使用吸振或是降振的措施，保證振動的降低，同時來降低噪聲。

2.3.3 滑環室的冷卻風電機組和碳刷摩擦噪聲降低措施

在某些雙饋風電機組的設計中，滑環室配置了滑環的冷卻風電機組，此設計方案的作用主要是為了冷卻碳刷和滑環摩擦時的發熱現象，同時可以帶走碳刷摩擦后產生的碳粉。為了滿足以上兩個要求，盡量使滑環室的設計趨于簡單化，為了能夠有流暢的風路，可以將滑環室設計成圓柱狀。這樣設計可以保證在風路上不會出現死路或渦流現象，可以避免由于渦流原因產生的噪音問題，而且還可以有效地降低滑環的溫升[8]。

碳刷和滑環摩擦也會產生噪音問題。由于碳刷與滑環問題產生的噪音有以下原因：不匹配滑環的碳刷材質，可能會引起摩擦的鳴音；碳刷安裝不合適，可能會引起異常并產生不正常的噪音。所以，使用合適的碳刷不僅對機組的電性能產生正面的影響，而且可以有效地降低碳刷與滑環摩擦產生的噪音問題。

3 結語

發電機的噪聲水平是衡量發電機性能的重要指標之一，也是影響發電機在市場上的競爭力的重要因素。因此，通過在發電機的設計及制造過程中，采用合理的工藝措施、運用正確的操作方法及合理的使用材料可以有效地使發電機的噪音降低到合理的范圍內。

[1]馬亞平, 鄭廣祿.電機振動和噪聲控制的工藝措施[J].機械研究與應用，2002，15(3):17-20.

[2]陳永校.電機噪聲的分析與控制[M]. 浙江:電浙江大學出版社,1987.

[3]王建民, 讓余奇.電機噪聲分析及抑制措施[J].船電技術，2010，30(8):8-11.

[4]李華，龔天明，祝令帥.定子斜槽結構對永磁同步電動機影響的分析[J].防爆電機，2012，47(4)，6-9.

[5]龔建芳.定子斜槽及非均勻氣隙對永磁同步發電機的性能影響[J].大電機技術，2008(5):17-20.

[6]姚新祥.電機電磁噪聲的成因淺析與控制措施[J].日用電器，2011(6):35-41.

[7]宋亞秋, 宿亞樓.電機噪聲產生的原因及減小噪音的設計方法[J].電工技術， 2009(8): 64-65.

[8]張超, 王金亮.有限單元法在風電機組基礎設計中的應用分析[J].風能,2012(6):96-99.

A Discussion of Vibration and Noise Control Measures for Wind Turbines

Zhang Yingbo, Pan Lei, Zhang Qiying
(GuoDian United Power Technology Co., Ltd., Beijing 100039, China)

ftis paper expounded the noise of wind turbine and analyzed the factors caused noise and vibration of wind turbine. Also, it put forward the measures according to these factors.

wind turbine; vibration; noise; technical control

TK83

A

1674-9219(2013)10-0088-04

2013-08-27。

張瑩博（1984-），男，碩士，助理工程師，主要從事電機機械結構設計工作。