槽配合對異步電機電磁噪聲的影響分析

賀玉民， 史建萍， 崔 偉， 趙東芝， 吳若欣

(湘潭電機股份有限公司,湖南 湘潭 411101)

0 引 言

電磁噪聲主要是由電磁力作用引起電機機械結(jié)構(gòu)的振動并由空氣傳播引起。電機定子有其固有的振動模態(tài)，當電機氣隙中電磁力波的空間階次與定子模態(tài)的空間階次相同，且電磁力波頻率與定子模態(tài)固有頻率相近時，會引起電機定子共振[1-3]，進而使電機產(chǎn)生巨大的電磁噪聲，甚至不能正常運行。對于極數(shù)多、轉(zhuǎn)速低的電機，電磁噪聲往往很突出，電磁噪聲的研究變得非常重要。本文從理論上分析了槽配合對電磁力波及電磁噪聲的影響，結(jié)合模態(tài)分析了電機的電磁噪聲問題，并針對型號Y630-12 800kW 10kV電機進行計算分析，根據(jù)不同的槽配合制造了不同的轉(zhuǎn)子以驗證理論的正確性。

1 電磁力波

異步電機電磁噪聲由隨時間和空間變化并在電機各部分之間的作用力引起。這些力是定、轉(zhuǎn)子之間隨時間和空間變化的徑向磁拉力。根據(jù)麥克斯韋定律，在氣隙中的任意一點作用著一個徑向力，該徑向力在定子鐵心內(nèi)表面單位面積上正比于磁通密度的平方[4]，可表示為

(1)

式中：pr(θ,t)——徑向電磁力波；

Br(θ,t)——徑向磁通密度；

μ0——空氣磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7。

徑向磁通密度的詳細推導(dǎo)過程可參考文獻[4-5]，其主要由于定、轉(zhuǎn)子開槽引起的定、轉(zhuǎn)子齒諧波相互作用產(chǎn)生，其各參數(shù)如表1所示。表1中：P為電機極對數(shù)；f為電源頻率(基波頻率)；kst、krt分別為定、轉(zhuǎn)子齒諧波的階數(shù)，均取±1，±2，±3，…；S為轉(zhuǎn)差率；Z1、Z2分別為定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)。

表1 主要徑向磁通密度波

由定、轉(zhuǎn)子齒諧波相互作用產(chǎn)生電磁力波是電磁噪聲產(chǎn)生的重要原因，按式(1)，可推導(dǎo)出在定子鐵心內(nèi)圓隨時間、空間變化的電磁力波的空間階次及頻率，其空間階次及頻率如表2所示。

表2 主要徑向電磁力波的空間階次及頻率

由表2可知，在電機極數(shù)一定時，電磁力波的空間階次和頻率與定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)有關(guān)。

2 定子鐵心模態(tài)

電機定子鐵心在實際制造中很復(fù)雜。鐵心由硅鋼片疊壓在一起，用徑向通風槽板分成很多段，鐵心圓周用幾根肋焊接加固，兩端用壓圈緊固，定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)放置線圈等。傳統(tǒng)解析方法計算模態(tài)是通過結(jié)構(gòu)簡化，把很多連接的部分看成一體，實際上該簡化已遠離實際情況，計算結(jié)果不是很精確。本文基于Ansys機械分析模塊，模擬實際定子鐵心結(jié)構(gòu)連接方式，考慮疊壓系數(shù)及槽中各種材料(如槽中包含的銅導(dǎo)線、絕緣材料和浸漆等)的前提條件下，分析計算了鐵心和繞組的等效材料參數(shù)(包括各方向的彈性模量、剪切模量及泊松比)[5-6]，以計算出與定子鐵心實際相符合的模態(tài)振型。模態(tài)振型如圖1所示。

圖1 模態(tài)振型

3 電磁力波發(fā)生共振條件

當電磁力波空間階次與定子鐵心模態(tài)階次相同,且頻率相近時會引起共振；共振大小與電磁力波幅值及階次有很大關(guān)系，且電磁力波引起的機械振動振幅幾乎與力波階次的4次方成反比[7-8]，故若要避免大的共振只有避開低階次力波的共振。此外，力波幅值很大且階次較高的力波引起的共振也會引起大的振動。

電磁力波引起電機共振，可通過合理選擇槽配合來解決。本文通過對型號Y630-12 800kW 10kV電機進行計算分析，詳細說明槽配合對電機噪聲的影響。

4 實例分析與驗證

對型號Y630-12 800kW 10kV電機槽配合做了兩種方案： (1) 定子90槽，轉(zhuǎn)子72槽；(2) 定 子90槽，轉(zhuǎn)子112槽。并對兩種槽配合分別做了一臺轉(zhuǎn)子以驗證理論分析的正確性。

4.1 電磁力波及定子模態(tài)計算

4.1.1 主要徑向電磁力波計算

兩種主要徑向電磁力波的計算結(jié)果分別如表3、表4所示。

表3 主要徑向電磁力波(定子90槽，轉(zhuǎn)子72槽)

表4 主要徑向電磁力波(定子90槽，轉(zhuǎn)子112槽)

4.1.2 定子鐵心模態(tài)計算

定子鐵心自由振動模態(tài)可提取很多振型圖，本文僅根據(jù)理論有目的選取符合共振條件的振型圖。6階723Hz、6階803Hz、4階827Hz的計算結(jié)果分別如圖2～圖4所示。

圖2 6階723Hz

圖3 6階803Hz

圖4 4階827Hz

4.1.3 力波結(jié)合模態(tài)分析

(1) 對于定子90槽、轉(zhuǎn)子72槽，由表3結(jié)合圖2、圖3可知，在空間階次6階且頻率700、800Hz 狀況下會發(fā)生共振，尤其是700Hz附近共振更強烈，由于在700Hz時引起共振的力波幅值很高，說明該槽配合不合適，電機用此槽配合很危險。

(2) 對于定子90槽、轉(zhuǎn)子112槽，由表4結(jié)合圖4可看出，在空間階次4次、頻率827Hz附近也存在共振點，但頻率相差較遠且力波幅值很小，故該槽配合是較為理想的。

4.2 試驗驗證

為驗證理論的正確性，針對所分析的兩種槽配合，分別做了轉(zhuǎn)子進行試驗。試驗所用儀器為NA-28S噪聲頻譜分析儀，試驗結(jié)果分別如圖5、圖6所示(聲壓級)。

圖5 噪聲頻譜圖(槽配合90/72)

圖6 噪聲頻譜圖(槽配合90/112)

該電機為敞開式，無外通風，故可排除外通風噪聲的頻率段，在軸承摩擦不突出的情況下實測噪聲可反映電磁噪聲情況。由圖5可知頻率在630～800Hz段噪聲很突出，甚至在1.25kHz時噪聲也很高；換轉(zhuǎn)子112槽后，由圖6可知，上述頻率段的噪聲大大降低，電機整體噪聲也隨之下降，這充分驗證了理論分析的正確性。

在同型號規(guī)格的立式電機上也用了此槽配合轉(zhuǎn)子。試驗結(jié)果噪聲聲壓級71dB，較原約89dB的噪聲降低，這進一步說明了該型號電機槽配合90/112的合理性。

本文通過理論分析和試驗驗證，證明了槽配合對電機電磁噪聲有很重要的影響，改變槽配合對處理電磁噪聲是很有效的方法。

【參考文獻】

[1] 崔偉，史建萍，吳若欣，等.降低電機通風噪聲的一種可行方案[J].電機與控制應(yīng)用，2013(11)： 55-57.

[2] 舒波夫.電機的噪聲和振動[M].北京： 機械工業(yè)出版社，1982.

[3] 王荀，邱阿瑞.降低大中型異步電動機電磁噪聲的槽配合選取方法[J].大電機技術(shù)，2011(2)： 11-15.

[4] HELLER B，HAMATA V.異步電機中諧波磁場的作用[M].北京： 機械工業(yè)出版社，1980.

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

[6] 王荀，邱阿瑞.大中型異步電動機定子模態(tài)的仿真分析[J].大電機技術(shù)，2011(1)： 7-10.

[7] WANG C, LAI J C S. Vibration analysis of an induction motor[J]. Journal of Sound and Vibration,1999, 224(4): 733-756.

[8] ISHIBASHI F, MATSUSHITA M, NODA S, et al. Change of mechanical natural frequencies of induction motor[J]. IEEE Trans on Industry Applications,2010, 46(3): 922-927.