電機冷卻風機振動與噪聲的控制措施及效果研究

朱 新，王德柱

?

電機冷卻風機振動與噪聲的控制措施及效果研究

朱 新，王德柱

（湖南湘電動力有限公司，湖南湘潭 411101）

為了降低冷卻機對電機振動噪聲的影響，用分析與試驗結合的方式，找到了從輻射與傳遞途徑上對電機振動與噪聲進行控制的方法，并在電機樣機上進行了試驗，試驗結果證明控制措施十分有效。

電機 冷卻風機 減振 降噪

0 引言

振動和噪聲是電機重要的技術指標，影響了人們的工作、生活環境。對于艦船、潛艇等特殊場合使用的電機，出于安靜性和艦艇隱身的需要，振動和噪聲的控制更是尤為重要[1-2]。

電機冷卻風機（或風扇）對于采用通風冷卻的電機是必不可少的重要部件之一。在實際工程應用中發現，除了人們重點關注的電磁振動噪聲、機械振動噪聲和空氣動力振動噪聲之外[3]，冷卻風機產生的振動噪聲對電機的影響不容忽視，尤其是近年來隨著電機制造工藝水平逐漸提高，電機本身除風機以外的振動噪聲控制越來越好，冷卻風機對電機振動噪聲的影響也越來越明顯。

本文在對風機振源進行分析的基礎上，制造了試驗平臺（主要由電機樣機和冷卻風機樣機組成），通過試驗，從數據上對比論證了冷卻風機對電機振動噪聲的影響，然后找到了解決措施，通過試驗充分驗證了措施的可行性和效果。

1 電機冷卻風機振動與噪聲分析

1.1 冷卻風機振動與噪聲產生機理

冷卻風機振動和噪聲就其主要振源產生機理而言，可分為旋轉振動噪聲和渦流振動噪聲。旋轉振動噪聲是由于葉片周圍不對稱結構與葉片旋轉所形成的軸向不均勻流場相互作用而產生，它與葉輪的轉速有關；渦流振動噪聲主要是由于氣流流經葉片時產生紊流附面層及漩渦與漩渦分裂脫體，而引起葉片上壓力脈動所產生[4]。

1.2 風機對電機振動與噪聲的影響分析

目前，國內低振動噪聲風機一般可以將噪聲控制在85~90 dB左右，國外低振動噪聲風機一般的噪聲在83~86 dB左右。若采用兩臺風機并聯運行，其產生的噪聲值比單臺風機運行要增加約3 dB。當電機本身噪聲接近甚至低于風機噪聲時，外加冷卻風機對電機的空氣噪聲影響較大。

相對噪聲而言，由于冷卻風機的質量遠遠小于電機的質量，其振動水平對電機本體的影響相對有限，但其中風機的特征頻率（主要是軸頻和葉頻）振動傳遞到電機機腳的振動可能較大。

2 試驗平臺

2.1 電機的選擇及說明

選用一臺1500 kW異步發電機作為本次研究的樣機，為確保試驗結果的準確性，對樣機本體（不含風機）采取了一系列減振降噪措施，主要措施如下[5]：

1）采用鼠籠型轉子，該結構質量對稱性好，相對于繞線型轉子穩定性也更好；

2）采用座式滑動軸承，該軸承的穩定性單獨進行了充分的試驗驗證；

3）定子采用十二相繞組（4Y），定轉子槽配合為96/84，定子斜槽一個齒距，對樣機電磁振動噪聲進行了很好的抑制；

4）風路設計盡可能地降低了空氣流動帶來的振動噪聲影響，改變風道方向時采用大的半徑；風道截面積逐步變化；垂直于風道面的障礙物設計成流線型。

2.2 試驗風機的選擇及說明

2.2.1試驗風機性能參數

根據電機樣機通風冷卻的需求，采用兩臺低噪聲離心通風機并聯運行，選取的風機在2000 Pa的系統阻力下輸出風量約為3900 m3/h（單臺），該風機為單離心式，由電動機直接驅動，額定轉速為2890 r/min，額定功率為4 kW，額定電壓為380 VAC，額定頻率為50 Hz。

2.2.2試驗風機振動噪聲指標及重量

1）單臺風機振動均方根有效值：≤1.8 mm/s；

2）單臺風機空氣噪聲（距風機1 m處）：≤85（dB）（聲壓級）；

3）兩臺風機并聯后總空氣噪聲（距風機1 m處）：≤88（dB）（聲壓級）；

4）單臺風機重量：70 kg。

2.2.3風機安裝

本文選擇兩臺風機并聯運行，風機安裝電機樣機機座的上方，風機進風口、出風口與電機樣機采用軟管進行連接。風機安裝如圖1所示。

3 風機對電機振動與噪聲的影響測試

電機樣機在額定工況下運行，在開啟冷卻風機和不開啟冷卻風機兩種情況下分別測量電機樣機的機腳振動加速度及噪聲。

測試結果與理論分析結論一致，風機對電機噪聲影響較大，對電機機腳振動加速度也存在一定影響，尤其是風機的特征頻率十分明顯，本文采用的樣機開啟風機后噪聲（本文測點均為距被測設備1 m處）增加了4.88 dB。風機開啟前后樣機噪聲對比詳見表1。

圖1 風機安裝示意圖

表1 風機開啟前后噪聲對比

電機機腳振動加速度值（50 Hz）增大了13.5 dB，風機開啟前后電機機腳振動加速度對比詳見圖2。

圖2 風機開啟前后電機機腳振動加速度對比

根據分析和測試結果，對風機振動和噪聲進行抑制十分必要。經過分析，并在試驗平臺上對多個措施進行了試驗，其中采用設置風機消聲罩和對風機進行隔振的方法從輻射與傳遞途徑上對振動與噪聲進行控制最為有效，本文重點對這兩種方法進行描述。

4 風機振動與噪聲的控制措施

4.1 風機消聲罩

本文采用的風機消聲罩結構外形如圖3所示，為便于安裝、拆卸，由對稱的兩部分組成，與樣機配合將風機包圍起來，從輻射途徑上達到控制噪聲的目的。消聲罩有兩層，外殼采用鋁合金材質，內層為吸聲材料，吸聲材料采用海綿橡膠板（牌號為HM102-29-HG6-413-1979）；考慮風機電動機自身的散熱需求，消聲罩蓋板為百葉窗結構。

圖3 消聲罩結構外形圖

4.2 風機隔振

風機電動機底腳通過支架安裝在4個橡膠型隔振器上（兩臺風機共8個隔振器），隔振器固定在電機樣機機座上，風機隔振器安裝示意圖如圖4所示。風機隔振器設計指標為：

1）靜載荷作用下的隔振器壓縮變形<3.3 mm；

2）橫傾/搖和縱傾/搖情況下風機重心位移不超過12 mm；

3）隔振系統垂向固有頻率設計為11 Hz。

圖4 風機隔振器安裝示意圖

4.3 風機消聲罩安裝前后對比試驗

首先單獨運行風機，分別對安裝消聲罩和不安裝消聲罩的風機噪聲進行測試；然后同時運行電機和風機，對安裝消聲罩和不安裝消聲罩的電機噪聲進行測試；最后關風機，對僅電機運行的電機噪聲進行測試，對比結果見表2。

表2 安裝消聲罩前后噪聲對比

測試結果顯示，安裝消聲罩的降噪效果十分明顯，基本消除了風機噪聲對電機樣機的影響。

4.4 風機隔振前后對比試驗

首先，對風機進行隔振，在風機隔振器上方和下方分別布置振動加速度測點，單獨運行風機，對比風機隔振器上、下振動加速度值。對比結果詳見表3。

然后，在電機機腳布置振動加速度測點，風機和電機同時開啟，分別測量風機隔振前后的電機機腳振動加速度，再結合僅電機運行（不開風機）的電機機腳振動加速度，對比結果詳見圖5。

表3 風機隔振器隔振效果

圖5 風機隔振前后電機機腳振動加速度對比

試驗結果顯示，風機隔振的減振效果十分明顯（對風機特征頻率的隔振效果>30 dB），基本消除了風機對電機機腳振動加速度的影響。

5 結論

本文根據分析和試驗，得出以下結論：

1）冷卻風機對電機噪聲以及電機機腳振動加速度都存在較大影響，尤其是風機的特征頻率振動加速度傳遞到電機機腳，從而造成該特征頻率電機機腳振動加速度明顯增大。

2）本文提出的安裝消聲罩的措施減噪效果顯著，通過對比測試，安裝消聲罩后基本消除了風機噪聲對電機的影響。

3）本文提出的風機隔振措施減振效果很好，通過對比試驗，風機合理隔振后基本消除了風機振動對電機機腳加速度的影響。

[1] 孫衛紅, 晏欣. 潛艇振動與噪聲控制技術的最新研究進展[J]. 噪聲與振動控制, 2012, (5): 6-10.

[2] 王剛毅, 石磊, 倪鳳燕. 電力推進船舶機艙振動與噪聲控制技術［J］. 機電設備, 2017, (4): 79-82.

[3] 陳永校等. 電機噪聲的分析和控制[M]. 杭州: 浙江大學出版社, 1987.

[4] 姜麗華, 洪心蘭, 徐瑞銀. 離心風機噪聲控制研究［J］. 礦山機械, 2005, 33(9): 27-28.

[5] 王建民, 讓余奇. 電機噪聲分析及抑制措施［J］. 船電技術, 2010, (8): 8-10.

Research on Control Measures and Effects of Vibration and Noise of Motor Cooling Fans

Zhu Xin, Wang Dezhu

（Hunan Xiang Dian Power Co., Ltd., Xiangtan 411100, Hunan, China）

TM41

A

1003-4862（2019）03-0062-03

2018-10-30

朱新（1983-），男，本科。研究方向：電氣工程。E-mail: 154457159@qq.com