采用斜槽降低三相异步电动机电磁噪声

2015-03-04唐庆华张林

防爆电机 2015年1期

唐庆华，张林

(中国长江航运集团电机厂，湖北武汉430205)

0 引言

为了提高电机制造质量，近年来已经将噪声列入了电机质量考核指标之一。从国家标准《GB 10069.3旋转电机噪声测定方法及限值第3部分:噪声限值》新老版本中噪声限值范围的不断收窄，我们可以看出对电机噪声考核的要求越来越严格这一变化的趋势。本文简要分析了电磁噪声产生的来源以及三相异步电动机采用斜槽来降低噪声的机理，提出了几种斜槽的处理方式。

1 电磁噪声产生的来源

三相异步电动机是将电能转换成机械能的专用设备，当三相异步电动机的定子绕组中通入三相对称的正弦电流以后，经过定转子之间的气隙来产生旋转磁场，转子导体将切割磁力线而产生感应电动势(感应电动势的方向用右手定则判定)。转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。

在实际电机中，由于磁极磁场并非完全按正弦规律分布，因此，定子绕组内的感应电动势也不完全是正弦波形，即除了正弦波形的基波外还包含着一系列的谐波。我们也可以通过分析电动机磁势曲线的波形可以得知，在气隙磁势中，除了基波产生的旋转主磁场外，还有一系列由谐波产生的旋转磁场，这些磁场分为基波磁场和谐波磁场。基波主磁场和谐波磁场所感应产生的转子电流在气隙中所产生的磁势都可分解成一系列不同次数的磁势，从而构成了齿谐波。在谐波磁场中齿谐波的绕组系数数据大小与基波主磁场相同，因此其幅值较大，对电机的各项性能影响也是很大的。

三相异步电动机的电磁噪声主要是由气隙谐波磁场的不均匀所引起的，其主要来源于电磁振动。电磁振动由电机气隙磁场作用于电机铁心产生的电磁力所激发。电动机运行时，气隙中交变的电磁力波作用于定子和转子铁心，使它们随时间呈现周期性地变形，即发生电磁振动。由于感应电机转子刚度较高，因此电磁噪声主要由定子铁心振动引起，作用在定子铁心上产生的电磁力有径向和切向两个分量，径向分量使定子铁心产生的振动变形是电磁噪声的主要来源。切向分量的作用是使齿部弯曲并产生局部振动变形，这是电磁噪声的一个次要来源。电磁力波引起的噪声一方面与力波幅值大小有关;另一方面与力波次数有关，次数越低的力波引起的噪声就越大。

因此，通过采用各种方法来削弱齿谐波的影响就成为了降低电磁噪声的一条重要途径，而通过斜槽的方法来削弱齿谐波是电动机生产制造过程来降低电磁噪声的一种常用方法。

2 三相异步电动机斜槽的机理

三相异步电动机通过转子(或定子)斜槽以后，转子槽(或定子槽)相对定子槽(或转子槽)沿轴线方向扭斜一个角度。这样，定、转子绕组之间的电磁耦合系数减小了，也就是说，由定子电流产生的基波磁场和谐波磁场均有一部分不与转子导条起耦合作用，反之也是。通过这样使得作用在定子铁心的电磁力的径向和切向两个分量均得到减小，尤其是使径向分量削弱更加明显。形成的电磁转矩和感应电动势近似于同一根转子导条均匀分布在一段圆周范围内的平均值，同一根导条内各点所感应的齿谐波电动势相位不同，它们相位相互错开，各段导体的电势进行矢量相加可以大部分互相抵消，而使导体总电动势中的齿谐波大为削弱，这样可以使转子导条中所感应的齿谐波电流减小，并且定转子谐波间的相互作用力也减小，从而削弱由这些谐波磁场引起的附加转矩，因此可以使电磁噪声的分贝数值降低，提高电机的制造质量。

在冶金及起重用绕线转子(YZR 系列)或笼型转子(YZ 系列)中小型三相异步电动机的制造过程中，就有批量使用斜槽转子的成熟经验。大量的电动机生产制造应用证明，对于电磁噪声明显的三相异步电动机，通过采用斜槽的方法可以使电动机的噪声数值降低约3 ～5dB(A)。

但是，在进行斜槽设计的同时，电机的输出转矩也会同时被削弱。这一点对于力能指标有特殊要求的电机在设计时需要特别注意。

3 几种斜槽的处理方式

在中小型三相异步电动机制造中为了削弱定子绕组的齿谐波电势通常采用定子斜槽或者转子斜槽的措施，一般是将绕组的直线部分斜1 个或者接近1 个定子齿距。根据斜槽在电机不同应用部位，主要采用以下几种斜槽处理方式。

3.1 定子斜槽

定子斜槽是诸多斜槽方法中不常用的一种方式。其方法是将定子槽与电机中心轴线偏转一定的角度。受加工工艺的影响，定子斜槽一般适用于内压装工艺，主要通过在定子机座上加工斜槽，然后通过将定子冲片顺着键槽方向叠入机座内膛来进行实现，如图1 所示。

图1 定子机座斜槽加工示意图

图1 中的α 为斜槽角度(通过斜槽宽度bsk与铁心长度L 的比值进行求取)，P2为键槽加工中心与机座中心线的偏离距离，Z 为定子铁心中心点位置在机座上的定位尺寸。在计算P2过程中需要注意到Z 尺寸的精准定位。同时机座斜槽在加工时需要使用专用的工装模具进行保证。另外还需要注意到机座铁心内膛与机座止口直径有足够的厚度，以免在加工斜槽过程中出现破裂现象。

3.2 转子斜槽

有别于定子斜槽的实现方法，目前国内诸多电机制造企业在中小型电机的生产过程大多数是通过采用转子斜槽来达到削弱电磁噪声的目的。根据转子类型的不同，这又分为绕线转子(嵌铜条转子)斜槽和铸铝转子斜槽两种。

3.2.1 绕线转子(嵌铜条转子)斜槽

通常情况下，绕线转子或嵌铜条转子电机的工艺加工过程中如下:

转轴加工斜键槽，然后转子冲片按顺序以斜键槽导向依次叠入转轴中形成转子铁心，然后进行嵌线或者穿入铜条，绕组整形、绑扎或者铜条端环焊接后整体浸漆处理，最后车削转子铁心外圆形成转子。要想实现转子斜槽，唯一的方法只有将转轴上面的键槽加工成斜键，如图2 所示。

图2 转轴斜键加工示意图

在计算转轴斜键的角度α 时，特别需要注意将转子铁心的扭斜尺寸进行折算，即需要计算转子铁心外圆表面的斜槽长度投影到转轴表面的长度，然后计算其斜角α。其角度α 可以参照下式进行具体计算

式中，Di2—转子铁心外径;D2—转轴铁心键槽档直径;bsk—转子铁心表面斜槽长度;L—转轴铁心装配档加工长度(通常情况下为转子冲片、转子端板、转子压圈的轴向长度累积之和)。

对于采用嵌铜条的转子来说，由于转子铁心扭斜后槽型整齐度变差，使得铜条穿过全部槽型的难度增大，所以在进行该类型电机的方案设计时，其转子冲片中槽型宽度与铜条的实际宽度之间的间隙一般需要按单边0.3 ～0.4mm(黄铜导条取微小值，紫铜导条取稍大值)。另外，转子压圈的键槽宽度和转子铜端环的槽型宽度也可以相应0.5mm 左右，以便于施工操作。

另外，对于绕线转子或者嵌铜条转子，当转子铁心叠压成形后，建议增加一道工序，那就是将转子槽口进行排齐，以增加转子铁心槽型的整齐度，以利于后续的嵌入线圈绕组或者穿入铜条。

3.2.2 铸铝转子斜槽

采用铸铝转子斜槽是实现转子斜槽的一种快速方法。在目前的中小型笼型转子电动机制造过程中，斜槽铸铝转子一般是在模具(假轴)中加一斜键，使转子冲片在叠片的过程中自然形成螺旋角而达到斜槽的目的，这样不同的转子必须有对应的斜键来保证。这种斜槽并非真正意义上的斜槽，而是带有螺旋线式的斜槽。铸铝转子斜槽示意图见图3。加工好的带斜槽铸铝转子实物见图4。中小型电机的铸铝转子斜槽度公差一般应控制在±1mm 以内。

图3 铸铝转子斜槽示意图

图4 铸铝转子斜槽实物

在假轴加工过程中，需要注意到假轴外径与转子冲片轴孔的公差配合、假轴配键的直线度和对称度以及假轴表面粗糙度。根据工艺熟练程度，假轴外径与转子冲片之间的单边间隙范围一般在0.03 ～0.05mm，假轴表面光洁度控制在Ra1.6 左右。配键的对称度一般可按8 级精度进行控制。

假轴与转子冲片轴孔的配合尺寸，直接影响到转子铁心铸铝后轴孔的整体质量。因此在使用过程中需要定期假轴的磨损情况，若有超差必须立即进行修复。

斜槽铸铝转子相对来说加工简便，生产组织方便，但是一般在铸铝转子入轴前需要将其进行加热保温到一定范围，然后与轴进行热套处理，热套后待整体自然冷却后才能进行转子的精车工序，这样就增加了过程中的能源耗费。目前一般多适于加工中心高180 以下的斜槽铸铝转子。

3.3 通过专用工装和设备实现斜槽

前面已经提到斜槽转子铸铝后入轴通常是采用热套的方法，但对于一些需要传递大扭矩的转子就必须用键，由于原来的键在铸铝时已经扭斜无法再用，就必须在铸铝转子的内孔重新加工一个直键槽，这就对生产组织造成了极大的不便，而斜槽冲的出现使这个问题得到了很好的解决。随着新设备新工艺的飞速发展，用于铁心制造的专用斜槽冲(数控模架切向进给高速冲槽机的简称)设备在电机制造行业得到了比较广泛的使用。斜槽冲的出现改变了以往铸铝转子斜槽完全靠斜键来实现的历史。其工作原理是利用步进电机在每个冲程内使模架平移一小段距离来实现斜槽的(转子冲片的键槽并没有移动)。当铸铝转子铸造成形后，从其内孔处可以看到铁心键槽是直槽，而铸铝转子表面槽形的槽口连线是斜线的。这样一来斜槽冲工艺制造的铸铝成形后即可以立刻进行入轴，省去了前述3.2.2 中的套假轴、热套等工序，从而在节约能源，简化工序，提高生产效率等方面充分体现出斜槽冲的制造优势。目前该工艺多用于中心高200 以上的铸铝转子制造。

但是，斜槽冲工艺也存在有两个缺点:一是在采用斜槽冲工艺加工过程中转子铁心的高度是以计取冲片的数量来体现的，当硅钢片的厚度发生变化时对整个铁心的高度影响较大，所以在更换不同批次的硅钢片卷料时需要注意;二是由于加工失误或者冲到一半时突然断电需要进行补片或者续冲时，操作调整比较麻烦。