異步電動機電磁振動噪聲自動抑制方法

柴大鵬，王曉雯，2

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

1 引言

異步電動機又被稱為感應電動機，由意大利物理學家費拉里斯在1885年發明的，其本質為交流電動機，也就是在電動機的運行過程中，由電機的氣隙旋轉磁場和轉子繞組的感應電流之間相互作用，產生電磁轉矩，從而實現電能與機械能之間的轉換的過程，為艦船、電動汽車等領域普遍使用的動力源[1]。現階段，因其使用成本較低，安全性能較高，在大功率驅動中得到較為廣泛的應用。因此抑制其電磁振動噪聲也逐漸成為了熱門的研究內容。

電動機噪聲大致可分為電磁噪聲、機械噪聲、空氣動力噪聲等，導致噪聲產生的相關因素較為復雜多樣，其中大致包含了電磁、機械振動、物理學等相關的各種復雜理論，同時電動機自身的結構復雜，也增加了抑制電磁振動噪聲的困難性。一般情況下，產生機械噪聲的主要原因是由于電機運轉部分或零件相互摩擦、撞擊及結構共振形成[2]。特殊情況下，可能是由于電動機各組成部分裝配不平衡導致的。機械原因引起的噪聲種類較多，主要歸結于電機加工工藝、加工精度等，大部分是由電動機的電刷、轉向器、軸承、轉子、通風系統產生[3]。電磁噪聲是在電機運行之后，由于氣隙磁場脈沖引起了定子和轉子及整個電機結構振動而產生的低頻噪聲，其值主要與電磁負載和電動機各部分配件的分配質量相關。電磁振動所產生的噪聲大部分為結構噪聲，大致可分為恒定電磁噪聲和負載磁噪聲兩大類，其主要的產生原因為電動機的定子、轉子之間的槽配合不合適，電動機的磁通氣隙過小或定子、轉子偏心等。

為對異步電機的電磁振動進行抑制，同時降低電機的振動噪聲，本文提出了一種異步電動機電磁振動噪聲自動抑制方法。首先分析電磁振動中基波磁場產生的倍頻力波和定轉子諧波磁場產生的徑向力波，得出提高力波階數能夠一定程度對噪聲進行抑制的結論，為減少階數較小的力波，電動機的轉子槽數必須與定子槽數配合適當，反之則可能產生附加的轉矩，從而導致產生較大的振噪聲，因此選擇恰當的槽配合尤為重要。在對力波的研究基礎上，由于異步電動機的不同部位和零件的振動頻率不同，可以針對其各自特征，采取特定的抑制方法，通過選擇最優的槽配合、合適繞組、加大磁通氣隙減小氣隙密度、選用轉子斜槽等方法完成對異步電動機的電磁振動噪聲的抑制。為驗證本文方法的有效性，對樣機進行噪聲測試，實驗證明本文方法能夠充分有效的抑制異步電動機的電磁振動噪聲，并且操作簡單可行，具有較高的實際應用價值。

2 異步電動機電磁振動分析

針對電動機的電磁噪聲問題，可以通過搭建多物理場模型來進行研究與分析，首先通過二維電磁有限元獲得不同時間條件下的電磁力大小，然后在結構場中進行模態分析，從而獲得電動機定子結構的波頻特征，最后建立電磁輻射區的聲場模型，以其振動響應的結果為基礎，對輻射區的噪聲情況進一步進行分析。通過分析表明異步電機[4]在運行過程中，因主磁通徑向穿過氣隙，產生徑向力，導致電磁振動產生噪聲。氣隙磁場[5]中產生的徑向力只要包括基波磁場產生的倍頻力波和定轉子諧波磁場產生的徑向力波，其具體階數和頻率如表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表示轉差率，p表示極對數，Z表示轉子槽數。從表1可以看出，階數越高，產生的噪聲越小。因此，振型為0、1、2、3、4的振動可能產生較為嚴重的噪聲。基波生產的力波的振動頻率是電源頻率的2倍，是電機振動的主要分量之一，因其是由氣隙磁場基波產生的，因而無法避免。但其波頻較低，A計權會有所減弱，所以對噪聲和振動A計權影響較小。和轉定子諧波[6]子諧波互相作用產生的力波波頻較高，為A計權值及噪聲的主要成分，因此是研究噪聲抑制的主要研究內容。

現階段，對定子振動特征的研究較少，因此本文通過實驗數據來分析異步電機電磁振動[7]噪聲產生的各個影響因素。

圖1 異步電機振動峰值及頻率

圖1表明，電磁振動的波型是一種近似正弦波，但是其波頻不止一種，與軸承引起的機械類振動波相互疊加導致異步電動機表面發生了振動。

3 電磁振動噪聲自動抑制方法

電動機會產生不同種類的噪聲，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系，可以針對其各自特征，采取特定的抑制方法。

較大階數力波會導致磁場幅值較小，因此，提高力波階數能夠一定程度對噪聲進行抑制。則假設濾波產生的濾波階數[8]為

n=μ±v

(1)

式中v為定子諧波次數；μ為轉子諧波次數。

當每極每相槽數滿足于

q1=Z1/2pm

(2)

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

v=(6q′+1)p，q′=±1，±2，…

(3)

齒諧波[10]vz的磁振幅較大，是機電磁噪聲的主要分析內容，其數學表達式可做如下描述

vz=kZ1+p，k=±1，±2，…

(4)

當q1表示成分數時，設q1=Q1/d1，則Q1和d1沒有公因數，則d1表示奇數時，v=(6q′+1)p/d1，d1表示偶數時，v=(3q′+1)2p/d1，則轉子諧波次數可表示為：

μ=q″Z2+v，q″=±1，±2，…

(5)

為減少階數較小的力波，電動機的轉子槽數必須與定子槽數配合適當，反之則可能產生附加的轉矩，從而導致產生較大的振噪聲，因此選擇恰當的槽配合[11]尤為重要。本文在考慮槽配合的同時也將定子的固有波頻考慮在內，以防止過度共振，帶來的機械噪聲。不同槽配合產生的力波如下表：

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槽配合的最小階數為2，36/44的槽配合最小階數為4，在同一定子結構的條件下，4階模態的固有頻率要高于2階，更不容易引起振動產生噪聲。所以36/44槽配合的噪聲抑制效果要優于36/30。

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

(6)

(7)

則磁場密度從B1降到B2時，聲功率級可降至

(8)

氣隙從δ1增至δ2時，則聲功率級可降至

(9)

異步電動機的噪聲隨著磁場密度變化情況如表4所示。

但是加大氣隙會導致電動機的功率下降，致使電動機的空載電流增大，從而會產生電動機過度損耗問題，因此在加大氣隙的同時，也需綜合考慮各方面的相關因素。

電動機的定子繞組節距選擇適當，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”的方式進行串聯的，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勢幅值可以表示為

Fmv=Fmv(Δ)+(-1)asd(K)Fmv(Y)

(11)

4 實驗分析

4.1 實驗方案

為驗證異步電動機電磁振動噪聲自動抑制可行性，進行實驗。對噪聲進行測試時，一般通過測試電機周圍的噪聲聲壓，來研究電機輻射的噪聲。使用 AWA6228 多功能聲級計對 LQTB-1 永磁同步電機進行噪聲測試試驗。實驗測試環境如下所示。

圖2 消音室內測試環境

4.2 實驗結果

為驗證斜槽能夠有效的抑制噪聲，在異步電機上進行了斜槽轉子對電磁振動影響的對比實驗。一般情況下，其斜率可以表示為一個定子槽距，如下圖：

圖3 電機直槽和斜槽對比圖

實驗結果如圖4所示。

圖4 斜槽對電磁振動影響對比圖

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

當斜槽或斜極時，零階徑向力與斜槽系數減小，則斜槽系數為

(12)

式(12)中bsk表示斜槽距離，Z代表槽數，t代表槽距，那么斜極系數為

(13)

式(13)中，γ代表極距，p代表極對數。

則斜槽或斜極的聲功率級變化為：

ΔL=10lg(KSK)2=20lgKsk

(14)

上述電磁力功率級值計算結果如表5所示。

表5 電機聲功率級

由上表可以看出，從表中看出 165Hz 電磁噪聲最顯著。為進一步驗證本文異步電動機電磁振動噪聲抑制方法的有效性，在165Hz下，用本文方法構造了36/44槽配合的樣機，并在其空載和負載狀態下分別進行了噪聲聲壓測試，結果如圖5所示。

圖5 樣機空載通電前后噪聲聲壓級

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

不同斜槽的異步電機的磁振動頻率與產生噪聲之間的影響數據如表6所示。

表6 不同斜槽下的電磁振動頻率及噪聲數據

表6中的數據能夠充分證明斜槽能夠有效的降低電磁振動幅度，從而減少異步電動機的電磁振動噪聲。

電機在負載狀態下，電磁的負荷與空載狀態下相比產生了較大的變化，因此電機的振動也加劇，致使電機的負載噪聲也隨之增大，為驗證本文樣機在空載及負載狀態下噪聲情況，將本文樣機與傳統異步電機的電磁振動作對比分析，對比數據結果如表7所示。

表7 不同電動機電磁振動對比表

從表7中可以看出本文樣機的振幅較低，產生噪聲較小。主要原因在于本文方法根據電磁振動中基波磁場產生的倍頻力波和定轉子諧波磁場產生的徑向力波，得出提高力波階數能夠一定程度對噪聲進行抑制，降低電磁振動振幅。

5 結論

異步電動機的噪聲產生因素有很多種，其中大致涉及到電磁、機械振動、物理學等各種的復雜理論，為抑制和改善異步電動機的電磁振動，降低電機負載噪聲，本文提出了一種異步電動機電磁振動噪聲自動抑制方法。首先對電磁振動中基波磁場產生的倍頻力波和定轉子諧波磁場產生的徑向力波進行分析研究，得出提高力波階數能夠一定程度的對噪聲進行抑制，為減少階數較小的力波，電動機的轉子槽數必須與定子槽數配合適當，反之則可能產生附加的轉矩，從而導致產生較大的振噪聲，因此選擇恰當的槽配合尤為重要。然后在對力波的研究基礎上，考慮到電動機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、選用轉子斜槽等方法完成對異步電動機的電磁振動噪聲的抑制。實驗條件下，對樣機進行噪聲測試，證明本文方法能夠充分有效的抑制異步電動機的電磁振動噪聲，并且操作方法簡單可行，具有較高的實際應用價值。