低压三相异步电动机产生噪声的原因及措施

娄志刚

(卧龙电气集团股份有限公司，浙江上虞312300)



低压三相异步电动机产生噪声的原因及措施

娄志刚

(卧龙电气集团股份有限公司，浙江上虞312300)

主要介绍了低压三相异步电动机的三种噪声类型及产生的原因，重点阐述了电磁噪声的抑制方法，经实例验证该方法切实可行。同时也提出了机械噪声和通风噪声的解决措施。为安装问题提供了可靠的参考依据。

低压三相异步电机；噪声；控制方法

0　引言

电机就是将电能转化为机械能，为各种设备提供可靠的驱动力。电机的振动和噪声水平是评定电机质量的重要标志之一，振动的强弱不仅影响电机的寿命，而且也是引起噪声的主要原因。电机噪声的形成以及解决方法是十分复杂的，是一个综合性的问题。本文仅就电机噪声的分类、形成原因及实践中总结的解决方法进行阐述。

1　噪声的类型及原因

根据电机噪声产生的机理，可将电机的噪声分为三类，即电磁噪声、机械噪声和通风噪声。通风噪声一般是指电机通风系统所产生的气流声，而电磁噪声、机械噪声则与电机结构的机械振动密切相关。机械噪声是由电机运转部分的摩擦、撞击、不平衡及结构共振等引起的，其中主要是转子的机械不平衡和轴承噪声。

1.1电磁噪声

电机的电磁噪声涉及电磁学、结构动力学、声学和信号分析等诸多专业知识，问题复杂程度较高，分析难度也比较大。

电磁噪声来源于电磁振动，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，而电机气隙磁场又决定于定转子绕组磁动势和气隙磁导。气隙磁场产生的电磁力是一个旋转力波，有径向和切向两个分量。径向分量使定子和转子发生径向变形和周期性振动，是电磁噪声的主要来源；切向分量是与电磁转矩相对应的作用力矩，它使齿对其根部弯曲，并产生局部振动变形，是电磁噪声的一个次要来源。还有很多设计故障原因，也会造成电磁噪声的增加，例如：铁心饱和的影响；电网中的谐波分量；电动机铸铝转子断条；装配气隙不均匀等等。电磁噪声的大小与电机气隙内的谐波磁场及由此产生的力波的幅值、频率和磁极数有关，也同定子的固有频率、阻尼系数等密切相关。

1.2机械噪声

电机运转部分的摩擦、撞击、不平衡以及结构共振形成机械噪声，主要是由轴承引起的。电机轴承在繁重的工作状态下运转时，滚珠和外圈滚道相接处会发生弹性变形。滚道变形随接触处的变化呈周期性变化，产生振动和噪声。轴承装机后，内外圈的配合及轴承游隙对电机噪声也有一定的影响。

1.3通风噪声

产生这种噪声的根本原因是电机通风系统中气流压力的局部迅速变化和随时间的急剧脉动，以及通风气流与电机风路管道的摩擦。这种噪声通常直接从气流中辐射出去。电机的通风噪声主要包括以下三种。

(1)旋转噪声。风扇高速旋转时，空气质点受到风叶周期性力的作用，产生压力脉动，由此产生了旋转噪声。

(2)涡流噪声。在电机旋转过程中，转子表面上的突出物会影响气流。由于粘滞力的作用，气流分裂成一系列分立的小涡流，这种涡流之间的分裂使空气扰动，形成压缩与稀疏过程，进而产生噪声。

(3)笛声。气流遇障碍物发生干扰时会产生单一频率的笛声，随转动部件和固定部件之间气隙的减小而增强。

2　噪声的抑制方法

电机不同的噪声是由不同部位、不同零部件产生的，一般互不相关，因此可以分别研究，针对不同噪声采取不同的降噪措施。

2.1电磁噪声的抑制

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。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，总是希望力波阶数高一点。

振动力波阶数为

n=μ±ν

(1)

式中，ν—定子绕组谐波次数；μ—转子绕组谐波次数。

当每极每相槽数q1=Z1/2pm(式中，Z1—定子槽数；m—定子相数；p—极对数)为整数时

ν=(6q′+1)p,q′= ±1,±2…

(2)

齿谐波νz磁势幅值一般较大，是分析计算电机电磁噪声的主要分量

νz=kZ1+p,k=±1,±2…

(3)

当q1为分数时，设q1=Q1/d1，且Q1、d1之间没有公因子，则

当d1为奇数时，ν=(6q′+1)p/d1

当d1为偶数时，ν=(3q′+1)2p/d1

(4)

对于鼠笼式转子绕组磁势谐波次数

μ=q″Z2+ν,q″= ±1,±2…

(5)

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

μ= 6q″p/d2+ν

(6)

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，应考虑力波频率和定子固有频率，以避免共振。不同槽配合力波分析如表1。

表 1　槽配合的力波分析

从槽配合来说，36/46 比 36/44 的槽配合要好, 因为前者磁场的主要分量齿谐波产生的阶数为4, 而后者为 2, 从减少力波及降低电机的振动、噪声来说, 总是希望力波次数要高一些。降低气隙磁通密度或适当加大气隙以减小谐波磁场幅值，由于声功率近似与振幅平方成正比，振动幅值和径向力成正比，径向力与气隙磁密平方成正比，磁通密度b(θ,t)与气隙δ成反比，即

(7)

(8)

(9)

气隙从δ1增大到δ2时，声功率级可降低

(10)

一台 YZTD 250L-4/8/32 电机噪声随磁密的变化结果如表2。

表2　电机噪声随磁密的变化结果

但是气隙磁密的降低会导致电机体积和有效材料的增加，增大气隙会使电机的功率因数降低，空载电流增大，基本损耗增加，故必须综合考虑。

2.1.2选择合适的绕组

选择合适的定子绕组节距，以削弱相带谐波。选择那些产生谐波磁势较小的绕组，如正弦绕组对减小噪声总有利。正弦绕组采用△-Y串联接线方式，Y绕组在空间排列上滞后△30°，则有

(11)

且IY在时间相位上滞后I△30°。

所以，正弦绕组的v次谐波磁动势幅值为

Fmv=Fmv(△)+(-1)abs(K)Fmv(Y)

(12)

对一台 11kW电机进行正弦绕组和普通绕组的对比试验，结果如表 3。

表3　绕组对噪声的影响

2.1.3斜槽

斜槽时，作用在定子上轴向零阶的径向力与斜槽系数或斜极系数成正比减小。

斜槽系数

(13)

式中，bSK—斜槽距离；Z—定(转)子槽数；t—定(转)子槽距。

斜极系数

(14)

式中,τ—极距；p—极对数。

斜槽前后声功率级变化为

△L=101g(KSK)2=201gKSK

(15)

实际电机噪声的降低要小于上式求得的值。因为，以上的讨论忽略了扭转力矩和轴向非零阶径向力产生的振动。中小型电机的转子，一般斜一个定子槽距，如图 1 所示。

此外，缩小定转子槽开口宽度或采用闭口槽、磁性槽楔以减小气隙磁导谐波；采用磁极靴偏心结构，在加工方面保证电枢同心度，校准电机的动平衡，提高电机的装配质量水平，也都有不同程度的应用。

2.2机械噪声的抑制

2.2.1对于轴承噪声零件与轴承的配合试验证明，对应于最低噪声有一个最佳工作游隙，它大致等于基本组游隙的 30～50%。有资料显示，轴承外圈与轴承室的配合，应有5～10μm 的间隙，这对于降低电机轴承噪声是有好处的。

(1)轴承质量的好坏，决定噪声的大小。

(2)提高轴承端盖、轴盖、轴承室的光洁度、圆度以及公差尺寸。选择刚性好、精度高的轴承。

(3)电机轴承的正确安装。轴承在安装前必须进行仔细清洗，做到使轴承受热均匀和不因加热而让脏物进入轴承内部，必须填加清洁的润滑脂到轴承沟道中心，用量以轴承空腔的 1/2～1/3 为好。

2.2.2工作状态和工作环境。

确认表面工作状态是否合格，是否长期处于过载、堵转状态；测试空气中的含尘量、室温是否达到要求，是否存在有害性气体，空气绝对湿度不低于 5g/cm3。

2.3通风噪声的抑制

2.3.1风扇的设计。

风叶采用奇数叶片，最好采用不等分的叶片间距；风叶采用后倾式，并用圆角过渡；合理选择叶片形状，如：盆式叶片比大刀式噪声低；风扇外径与端盖间的距离为风扇外径的 10%～15%；风扇应具有良好的动平衡。

2.3.2风路的设计。

合理设计风路系统，降低空气阻尼；改变风道方向时，采用大的半径；风道截面积应逐渐变化；垂直于风道面的障碍物应做成流线形。

2.3.3加装消声器或隔声罩。

3　结语

现实中，电机产生噪声的原因十分复杂，研究涉及到电磁、机械振动、物理声学、数学等多个学科，本文中我们只是简单介绍了低压三相异步电动机产生噪声的原理，并提出了相对的解决办法，减少了电磁力波和电磁谐波，提高力波除数，同时保证机械加工精度和风扇设计的合理性，这样就可以有效地降低电机的噪声与振动。

[1] 黄礼文，王宗培.电动机噪声理论和控制技术的进展.电工技术学报，2000(5)：34-38.

[2]陈世坤. 电机设计[M]. 北京：机械工业出版社，2004.

[3]陈永校，诸自强，应善成.电动机噪声的分析与控制[M].杭州：浙江大学出版社，1987.

Cause and Control Method of Noise of Low-Voltage Three-Phase Induction Motor

Lou Zhigang

(WolongElectricGroupCo.,Ltd.,Shangyu312300,China)

This paper chiefly introduces types and causes for three kinds of noises of low-voltage three-phase induction motor, and emphatically introduces suppression method of electromagnetic noise. The practical example has verified that this method is feasible. Solutions of mechanical noise and ventilation noise are presented at the same time. It can provide good reference.

Low-voltage three-phase induction motor；noise；control method

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.16

TM301.4+3

B

1008-7281(2016)04-0048-004

娄志刚男1962年生；毕业于浙江工业职业技术学院，现从事电机设计、制造工艺工作.

2016-04-21