风力发电机振动和噪声控制措施探讨

张莹博，潘磊，张启应

（国电联合动力技术有限公司，北京 100039）

风力发电机振动和噪声控制措施探讨

张莹博，潘磊，张启应

（国电联合动力技术有限公司，北京 100039）

本文简述了风电机组的噪声源，着重分析了风电机组的噪声源及产生振动和噪声的因素，并针对这些因素提出了在工艺方面的解决措施。

风电机组；振动；噪声；工艺控制

0 引言

风能开发能减轻空气污染和水污染，但如果处理不当，则会增加噪声污染。近几年，随着风电机组国产化程度的不断扩大，我国制造业与欧美发达国家还存在一定的差距，国产化风电机组振动噪声问题逐渐显现出来。风电场附近居民对风电机组产生大噪声烦扰的投诉、申告也越来越多，甚至威胁到风电机组的正常国产化。因此，风电机组的减振降噪控制是非常重要和必要的[1]。

振动和噪声是风电机组重要的技术衡量指标之一，如何降低风电机组的振动和噪声是风力发电行业中普遍存在的问题。噪声来源于振动，机组的振动来源于每个关键部件的振动。作为风电机组关键零部件之一的风电机组的振动更是重中之重。要降低风电机组的噪声，首先就要减小其振动，风电机组的振动可以分为电磁振动、机械振动和通风散热引起的振动。除设计因素外，工艺措施的改进对电机振动和噪声的抑制起着重要作用。

1 噪声源分析

1.1 电磁噪声

电磁噪声是风电机组的主要噪声源之一[2]，在多极数的风电机组中，电磁噪声显得比较突出。一般情况下随着发电机功率的增大而增大。电磁噪声与发电机的电磁设计参数密切相关，如果设计不当，电磁噪声将会十分显著。因此，通过电磁参数的设计及工艺处理，研究降低电磁噪声的措施是非常必要的。

1.2 机械振动噪声

机械振动噪声主要包括轴承噪声、转子不平衡及碳刷与集电环摩擦所引起的噪声[3]。

1.2.1轴承噪声

滚动轴承由轴承内圈、滚珠、滚珠保持架和轴承外圈组成。轴承外圈不转动，轴承内圈和转子一起旋转，而滚珠在轴承内圈的滚道和轴承外圈的滚道及保持架中滚动旋转，保持架又被滚动旋转着的滚珠带动旋转。因此，轴承内外圈滚道中的波纹、凹坑、粗糙度、润滑脂质量的优劣、安装误差均是产生轴承噪声的关键因素。

1.2.2转子不平衡引起的噪声

高转速电机的转子必须严格地进行动平衡校验，以减少转子残余不平衡量，转子不平衡噪声的频率等于转子旋转频率。虽然频率不高，一般在400Hz以下，但由于引起电机振动，从而使各部分的噪声增大。当转子的动平衡精度达到G2.5级时，转子不平衡所引起的噪声和振动都能显著地得到改善。

1.2.3碳刷与集电环摩擦的噪声

由于碳刷压在旋转的集电环上，如果碳刷的材质和集电环的使用不能匹配，这时候碳刷和集电环之间可能会产生气垫，会产生鸣音。

1.3 通风噪声

通风噪声主要由于风扇转动（包括发电子转子风扇、冷却器风扇、集电环冷却器风扇），使空气流动、撞击、摩擦而产生。噪声大小决定于风扇大小、形状、电机转速高低和风阻风路等情况。

空气噪声的基本频率fν:fν=N·n/60(Hz)

其中，N-风扇叶片数；n-电机转速（rpm）。

风扇直径越大，噪声越大，减小风扇直径10%，可以减小噪声2dB－3dB，但随之冷量也会减少。当风叶边缘与通风室的间隙过小，就会产生笛声。如果风叶形状与风扇的结构不合理，造成涡流，同样也会产生噪声。由于风扇刚度不够，受气流撞击时发生振动，也会增加噪声。此外，转于有凸出部分，也会引起噪声。

2 噪声形成原因及降噪措施

2.1 针对电磁设计的降噪措施

2.1.1 选择合适的定转子槽配合

振动阶数较低、幅值较大的力波对电机的振动和噪声起主要作用。力波阶数较大时，可以不予考虑。此外，当力波阶数较低，但是产生该力波的磁场谐波次数较大时，磁场幅值小，也可以不予考虑。因此，从减小力波降低电机噪声来考虑，尽量使得能够出现较高阶数的力波[3]。

振动力波阶数为：

式中：ν为定子绕组谐波次数；μ为转子绕组谐波次数。

当每极每相槽数q1=Z1/2pm（其中：Z1为定子槽数，m为定子相数，p为极对数）为整数时，

齿谐波νz的磁势幅值一般较大，是分析计算电机电磁噪声的主要分量，

当q1为分数时，设q1=Q1/d1，且Q1、d1之间没有公因子，则

对于鼠笼式转子绕组磁势谐波次数

当研究转子齿谐波时，可以令ν=p。

对于三相绕组式转子，当整数槽时，d2=1；当分数槽时，q2=Q2/d2，且Q2、d2之间没有公因子，则

我们应当选择适当的槽配合，以减少较小阶数的力波，这里主要考虑齿谐波中n＜5的情况。同时，还应该考虑力波频率和定子固有频率，以避免共振。

在各次谐波中，齿谐波特别是一阶齿谐波影响重大，一方面是由于齿谐波绕组系数与基波一致，不容易采取短距以及分布绕组予以削弱，幅值也相对较大；另一方面在齿槽配合选用不当时，齿谐波产生的电磁力波次数很低，产生较大的径向力。另外，由于异步电机气隙小，转子更容易产生多种谐波，所以电磁噪声问题相对来说比较突出。尤其是电磁噪声频率主要是与转子齿频率成倍数的频率，此频率正处在人耳敏感的频率范围，更使人感到干扰和吵人，所以设计时要特别注意定、转子槽配合的选择。

2.1.2 斜槽的方式

斜槽时，作用在定子上轴向零阶的径向力与斜槽系数成正比减小[4-5]。

斜槽系数为：

式中：bSK为斜槽距离，Z为定（转子）槽数，t为定（转）子槽距。

斜槽前后的声功率级的变化为：

实际风电机组噪声的降低要小于上式求得的值，因为以上讨论忽略了扭转力矩和轴向非零阶径向力产生的振动。一般的风电机组采用定子斜槽，如图1所示。

2.1.3 控制有效气隙的均匀性

气隙偏心有两种情况，一种是静态偏心，一种是动态偏心，两种偏心都会产生振动而形成噪声。

静态偏心是不随转子转动而偏心的，只要生产出来的电机都会有静态偏心存在，行业规定一般情况下气隙偏心控制在±10%以内。气隙的偏心使磁拉力不均匀，严重时产生很大的单边磁拉力。此种气隙偏心会产生更加恶劣的电磁振动特性。

动态偏心是因为转轴挠曲、转子铁芯不圆、或端盖轴承室与轴承配合有间隙等一些机械原因造成。但是这些机械原因产生了不平衡机械力，产生机械振动加剧了不平衡的电磁力，不平衡振动导致了电磁噪声。

电磁噪声的声压级与气隙长度的平方成反比，也与气隙磁密的平方成正比，所以设计时要考虑合理的气隙值。选取气隙值的选取考虑噪声外，同时要兼顾电机的其他性能指标。因为气隙变化后，相应激磁电流、定子电流、铜耗、启动电流、功率因数、效率、温升和转速都有很大的影响，为了保证在不影响其他性能的前提下，在机械加工方面和装配上更加严格，要求“三同心”——机壳、端盖的铁芯挡与轴承室的同心度、转子外圆与轴承挡的同心度、定子内外圆的同心度。采取更高等级的转子静平衡和动平衡矫正，以保证气隙的均匀性。

2.2 针对机械结构的降噪措施

2.2.1 提高转子动平衡的精度

在发电机的转子结构中有转轴、风扇、绕组和集电环等结构。转子在高速旋转时，由于制造原因产生的转子上零部件的不对称因素都会引起转子不平衡量的变化。比如硅钢片材料不均匀引起转子铁芯的偏心、焊接质量问题引起的风扇不平衡、转子接线焊接时焊料不均匀和转子浸漆的工艺方法不对引起漆的浸入不均匀等都可以引起转子不平衡导致振动，从而产生噪声，振动严重时可能出现断轴等重大事故。

所以对以上可能产生转子不平衡因素的工艺流程严加管理。对风扇的出厂前要求做静平衡试验，并有相关报告；转子铁芯叠压采用定量转角的方式，即冲片叠压完成一定厚度后旋转一定的角度叠压；转子接线的位置尽量在圆周角度均布，焊接时选用熟练的焊工进行操作；浸漆后的烘焙采用立烘或是旋转式卧烘。保证以上工艺正确完成后，整个转子做动平衡试验时，严格按照操作手册及标准进行试验，平时严格按照规定对动平衡机进行使用、维护和保养。

2.2.2 提高零部件的加工精度与要求

定、转子叠压采用定重量、定长度、定压力的方法来保证铁芯叠压的质量。

图1 定子斜槽示意图

转轴轴承挡、端盖轴承室的加工精度和表面粗糙度也影响定、转子之间的同轴度，只是间隙不均匀，产生单边磁拉力，电磁振动增加，噪声势必也会增加。因此对转轴轴承挡、端盖轴承室的精加工工序设立质量控制点，实施重点控制。

2.2.3 轴承等其他结构的装配

在机械振动方面，轴承的影响是不可忽视的因素[6]。轴承本身的问题主要有轴承内外圈的粗糙度、圆度，弹簧槽的波纹度、滚珠的圆度、粗糙度、硬度，轴承的游隙，保持架的材料，润滑脂和清洁剂的选择，轴承的清洗、加热、装配等都会对轴承产生影响。因此，轴承进厂必须进行检验，并留下检验记录，装配前应清洗并涂上干净的润滑脂。

转轴轴承挡和端盖轴承室与轴承内外圈的配合公差和粗糙度对发电机的振动有很大影响。轴承挡和轴承室与轴承的配合质量影响轴承的工作游隙，影响轴承在装配后的变形，从而影响轴承的振动。严格控制轴承挡和轴承室精加工的质量，对于降低电机振动和噪声是有效的。

作为常规的双馈式风电机组，空气冷却器是发电机的一种重要部件。发电机工作时，冷却为发电机工作产生的热量进行冷却和热交换，但是，冷却器需要两台小风机产生空气的对流，必然产生强烈的振动。如果冷却器的振动频率和发电机本体的振动频率有重合点就会产生共振，就会造成噪音的剧烈增加，因此在冷却与发电机机座进行装配时进行必要的减振和密封措施。

2.3 针对通风系统的降噪措施

在双馈风电机组中，通风的噪声主要来源于三个位置，转子上的冷却风扇、空冷器的冷却风扇和滑环室的冷却风扇[7]。

2.3.1 转子冷却风扇及相关部件的设计措施

转子冷却风扇在发电机内部主要起内部空气循环线路的作用，一般有单循环（一个风扇）和双循环（两个风扇）。为了使内部空气顺畅的流动而且不产生涡流现象，需要将发电机壳内部设计成流线型的风路，或是在内部设计相应的导流板设计，这样子可以有效的降低空气阻尼，可以有效地降低由于不合理的风路设计而造成的内部的通风噪声。而且还可能会使机壳产生相应的振动，避免更严重的振动或噪声产生。

2.3.2 空冷器冷却风扇的设计或工艺措施

从目前实际运行的双馈式风电机组来看，风电机组的振动及噪声问题最严重的部位就是空冷器冷却风电机组的设计安装问题。振动严重会产生不平衡的空气噪声，如果长时间运转，恶劣的振动会造成冷却电机的损坏。

2.3.2.1 冷却风扇的设计问题

目前常用的风扇型式有大刀式、盆式、后倾式和流线型后倾式。根据某单位研究，某型号的发电机的风扇在同样的风量情况下，大刀式比盆式的噪声大4dB，风磨耗为盆式的1.46倍。大刀式又有径向式和后倾式，根据资料介绍，大刀式后倾式噪声比径向式小1dB。盆式也有径向和后倾式，根据资料介绍，后倾角30°时，噪声比径向式低2.3dB；后倾角45°时，噪声比径向式降低3dB。因此在设计时，要通过选择设计合适的风扇类型来降低电机噪声。

2.3.2.2 冷却风电机组与空冷器的装配问题

从冷却风电机组的噪声分析，空冷器的振动问题造成的振动产生噪音，严重时可能会出现冷却电机的振动损坏或是叶片断裂的情况。

在风电机组整机的安装中，为了降低发电机的振动对机架振动的影响，或是避免相应的振动，发电机与机架的安装采用弹性阻尼的安装方式，这样子可以有效的降低振动或是吸收相互振动的影响。在发电机中，冷却器与机座的安装之间也使用发泡海绵或是其他吸振降振措施，而在冷却风电机组与冷却器本体的安装中是直接刚性连接，如果共振就会产生严重的噪音，而且振动会使电机轴承、地脚或是风扇叶片断裂等严重事故。所以在冷却器与风力发电机座安装方面可以参考发电机与机架的安装或是参考冷却器与机座的安装方式，使用吸振或是降振的措施，保证振动的降低，同时来降低噪声。

2.3.3 滑环室的冷却风电机组和碳刷摩擦噪声降低措施

在某些双馈风电机组的设计中，滑环室配置了滑环的冷却风电机组，此设计方案的作用主要是为了冷却碳刷和滑环摩擦时的发热现象，同时可以带走碳刷摩擦后产生的碳粉。为了满足以上两个要求，尽量使滑环室的设计趋于简单化，为了能够有流畅的风路，可以将滑环室设计成圆柱状。这样设计可以保证在风路上不会出现死路或涡流现象，可以避免由于涡流原因产生的噪音问题，而且还可以有效地降低滑环的温升[8]。

碳刷和滑环摩擦也会产生噪音问题。由于碳刷与滑环问题产生的噪音有以下原因：不匹配滑环的碳刷材质，可能会引起摩擦的鸣音；碳刷安装不合适，可能会引起异常并产生不正常的噪音。所以，使用合适的碳刷不仅对机组的电性能产生正面的影响，而且可以有效地降低碳刷与滑环摩擦产生的噪音问题。

3 结语

发电机的噪声水平是衡量发电机性能的重要指标之一，也是影响发电机在市场上的竞争力的重要因素。因此，通过在发电机的设计及制造过程中，采用合理的工艺措施、运用正确的操作方法及合理的使用材料可以有效地使发电机的噪音降低到合理的范围内。

[1]马亚平, 郑广禄.电机振动和噪声控制的工艺措施[J].机械研究与应用，2002，15(3):17-20.

[2]陈永校.电机噪声的分析与控制[M]. 浙江:电浙江大学出版社,1987.

[3]王建民, 让余奇.电机噪声分析及抑制措施[J].船电技术，2010，30(8):8-11.

[4]李华，龚天明，祝令帅.定子斜槽结构对永磁同步电动机影响的分析[J].防爆电机，2012，47(4)，6-9.

[5]龚建芳.定子斜槽及非均匀气隙对永磁同步发电机的性能影响[J].大电机技术，2008(5):17-20.

[6]姚新祥.电机电磁噪声的成因浅析与控制措施[J].日用电器，2011(6):35-41.

[7]宋亚秋, 宿亚楼.电机噪声产生的原因及减小噪音的设计方法[J].电工技术， 2009(8): 64-65.

[8]张超, 王金亮.有限单元法在风电机组基础设计中的应用分析[J].风能,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。

张莹博（1984-），男，硕士，助理工程师，主要从事电机机械结构设计工作。