總結電機噪聲產生的原因及減小噪音的設計流程

田麗麗

（湘潭電機股份有限公司，湖南 湘潭411101）

噪聲為電機關鍵性能指標之一，導致電機產生噪聲的原因有很多，但主要是電磁和通風。不同類型的電機噪聲有著不同的產生原因，需在掌握成因的基礎上，在設計上采取有效措施來減小噪聲。

1 電機電磁噪聲產生原因與減噪設計

電磁噪聲為電機噪聲重要來源，尤其是多極數電機，電磁噪聲更加突出。通常這種噪聲伴隨電機功率的不斷增加而變大，同時這也是電機負載過程中噪聲明顯增大的原因。這種噪聲和電機自身電磁設計參數有著十分密切的關系，如設計不當，將使噪聲表現得極為明顯，甚至超過其它類型的噪聲。基于此，必須加強對電磁噪聲的研究，以探究有效的減噪措施。

1.1 電磁噪聲產生原因

電機運行過程中，氣隙當中不僅存在基波，還有諧波磁場，彼此相互作用，在產生切向力的基礎上，產生電磁力波。當定轉子受到這些力波持續作用時，將出現徑向變形，而且呈周期性。因轉子鐵心有很大的剛度，所以不會產生太大振動，通常情況下只需考慮定子鐵心和它傳遞至機座部位的振動。這種振動一旦產生將導致周圍的空氣發生脈動，進而產生噪聲。

1.2 減噪設計

電磁噪聲和聲輻射特性、徑向力與動態響應幾個因素有關，為減小這種噪聲，可從下列方面著手：

1.2.1 槽配合：它對電磁噪聲有很大影響，在減噪設計過程中，定轉子槽數會對電磁力波自身階次帶來很大的影響，即不同槽配合會產生階次各異的力波。對于電磁力波，其頻率與階數可采用以下公式表達：

1.2.2 轉子斜槽：通過斜槽的使用能很好的減弱電磁噪聲，而且這對電機性能帶來的影響也是最小的。然而，在使用斜槽之后，因徑向力將沿著軸向長度方向產生一定扭轉力矩，致使鐵心發生扭轉振動，進而產生很大的噪聲。該振動一般不會出現在小型電機當中，而在大型電機卻很常見，必須在設計過程中引起重視。為有效解決這一問題，需使用分成兩段的斜槽，按照人字形結構布置，在中間處設置短路環。通過這樣的設計，可以有效降低扭轉振動[2]。

1.2.3 繞組型式：使用適宜的繞組節距及短距線圈能有效降低力波幅值與諧波含量。在三相繞組當中，沒有三次諧波，起到主要作用的為五次諧波與七次諧波。想要消除這兩種諧波，通常節距要達到整距五倍或者六倍，而二極電機的節距要達到整距兩倍或者三倍[3]。

1.2.4 磁密：減小氣隙的磁通密度也能有效降低噪聲。由于徑向力和氣隙磁密之間為正比關系，振動幅值和徑向力同樣為正比關系，所以聲功率和振動幅值之間也保持正比關系，基于此，如果磁密度從B1改變成B2，則聲功率級具體變化值可以按照下列公式進行估算：

如果軛部與齒部的磁密相對較高，將導致磁路達到飽和，使主磁場的波形變為平頂狀，在這種波形條件下，會出現低階力波，其階數和電機極對數存在一定關聯。在出現了這種情況以后，會有可能出現一階力波與二階力波，導致電磁噪聲明顯增加。基于此，為降低這種噪聲，需要采取措施減小磁密[4]。

1.2.5 氣隙大小：增大一定的氣隙能有效降低磁場幅值，進而起到降低噪聲的作用。在此基礎上進一步提高制造的精度還能避免氣隙不均的發生。電機電磁噪聲和氣隙長度之間的關系如下：

2 電機通風噪聲產生原因與減噪設計

電機的通風噪聲主要由轉子旋轉引起，包括三種類型，即旋轉、渦流與共鳴。

2.1 通風噪聲產生原因

2.1.1 旋轉噪聲產生原因：在風扇以較高的速度持續旋轉過程中，由于空氣質點會受到呈周期性的風葉作用，所以會產生一定壓力脈動，進而產生較大的旋轉噪聲，噪聲頻率為葉片單位時間打擊質點的總次數，可表示為：

式（7）中，Zb=1,2,3,··；Zb表示葉片數；n 表示風扇轉速，單位：r/min。

2.1.2 渦流噪聲產生原因：其產生原因為風扇旋轉過程中所產生的氣流被障礙物阻擋，導致風路截面產生劇烈的變化，或氣流的發生突然發生轉變，最終導致渦流產生，進而引起噪聲[5]。

2.1.3 笛聲產生原因：如果氣流遇到干擾，將產生頻率保持單一的笛聲，較為常見的干擾包括：風道干擾，定轉子鐵心大多設有徑向通風道，而且在軸向上保持對齊。因通風道當中設有間隔片，所以轉子旋轉時間隔片一會對齊一會錯開，導致壓力波動，它的頻率主要和槽數與轉速兩個因素有關。轉子導條和定子繞組之間產生干擾。另外，風扇葉片和機座散熱筋之間也有干擾，當風扇葉片和散熱筋之間的距離相對較近時，會在風道的入口部位出現一定壓力脈動，這種壓力脈動是引起笛聲的必要因素。對笛聲而言，其聲譜具有在頻率處產生峰值的特點。

2.2 減噪設計

2.2.1 合理設計風量：當風量增加時，產生的噪聲就越大。從相關資料中可以看出，如果風量減小30%，則能減小6dB 左右的通風噪聲。基于此，冷卻風量在達到避免溫升超限的要求即可。

2.2.2 合理選擇風扇：風扇類型多種多樣。根據相關研究成果，當風量完全相同時，大刀式風扇的噪聲大于盆式風扇。對于大刀式風扇，還可分成徑向與后傾兩種，相比之下，后者的噪聲更小。而對于盆式風扇，同樣能分為徑向與后傾兩種，相比之下，在后傾角為30°的條件下，其噪聲比徑向盆式風扇小2.3dB 左右，而在后傾角為45°的條件下，其噪聲比徑向盆式風扇小3dB 左右。基于此，設計過程中，應保證所選風扇類型的合理性，以此減少或避免噪聲的產生。

2.2.3 合理設計風路：電機的整個風路都要細心的設計，使風路始終保持暢通。對于迎風障礙物，需設計成流線型，以免防止急劇轉向導致噪聲變大。另外，如果風扇的外緣和風罩之間的間隙相對較小，將產生很大的哨音。基于此，在設計過程中必須對風路系統進行合理設計。

結束語

綜上所述，對電機而言，其噪聲水平是對電機整體質量進行衡量的關鍵指標，也是對電機運行及市場競爭造成直接影響的重要因素，所以在電機設計中應對噪聲限值進行綜合考慮，通過合理的設計使噪聲處在允許范圍內。