低压大功率12极电机电磁噪声降低方法浅析

2017-05-11张伟

中国设备工程 2017年5期

关键词：铁心气隙定子

张伟

（河北电机股份有限公司，河北石家庄 051430）

低压大功率12极电机电磁噪声降低方法浅析

张伟

（河北电机股份有限公司，河北石家庄 051430）

低压大功率12极电机在实际的使用过程中经常会出现较大的噪声。产生噪声的原因主要为电磁噪声。本文从多个可能引起电磁噪声的技术关键点进行分析，得出了对低压大功率12极电机控制电磁噪声行之有效的方法，优化了产品设计方案，对所提方案进行了验证。

低压大功率；12极电机；电磁噪声

1 降噪要求

1.1 背景

我公司生产了4台155kW，380V，IC01，12极立式电机，使用了以前用过的72/56槽配合。制造完成后，空载噪声为78dB(A)（声压级），换算为声功率级噪声约为93dB(A)（换算依据IEC60034-9-2003），符合GB10069.3-2006的标准值97dB(A)（声功率级），但负载噪声却达到了101dB(A)（声压级），虽然标准中并未规定12极电机的负载噪声值，但也能判定这是过大的噪声。我们在第一次试制经验的基础上采用了几个降噪的方法，最终将负载噪声控制在81dB(A)（声压级），成功降低了30dB(A)，甚至低于空载噪声的标准要求。

1.2 降低噪声的意义

噪声是造成环境的污染一个重要因素。电机产生的噪声通常分为三类：机械噪声、通风噪声和电磁噪声。这其中电磁噪声是随着电机负载载荷的增加而增大的，其主要分量的频率范围通常为700～4000Hz，人的听觉对这个频率范围的噪声十分敏感，降低电机负载噪声有利于保护我们的工作环境和生活环境。

1.3 电磁噪声的判断

利用人耳在通电和断电时对声音的对比，即可判断是否存在电磁噪声。接通电机电源，凭人耳仔细倾听电机运转的过程中是否发出尖锐的声音，然后关闭电机电源继续倾听，如果之前听到的尖锐声音不再出现，即可判断该电机在运转过程中存在着电磁噪声。如果关闭电机电源后，原来听到的尖锐声音仍存在，即可判断该电机没有较强的电磁噪声。

1.4 理论分析

一般来说，电机噪声分为三类。相对于转速较高极数电机的高机械噪声和通风噪声来说，12极电机由于额定转速较低，电磁噪声成为了电机运行中的主要噪声来源。电磁噪声的产生来源是由于电磁力波所引起的电磁振动。而电磁力波的产生是与绕组磁动势以及气隙磁导有关，其共同决定了电机的气隙磁场，电机铁心与其之间的作用产生了一系列的电磁力波。定子铁心齿部会受到径向分力和切向分力的作用，这些力是由气隙磁密波作用产生的。其中径向分力会引起铁心的振动变形，这被认为是电磁噪声的主要来源。而切向分力会生成一个作用力矩，它与电磁转矩相对应，会引起定子齿部的弯曲，从而产生振动变形，这被认为是电磁噪声的次要来源。电机负载运行状态下电磁噪声会明显增大，这在高极数、大功率的电机中尤为明显。

电机气隙磁通的实际分部其实不是正弦的，而是含有谐波和基波，这是由于定转子表面使用了开口槽，以及槽内部磁动势过于集中。这些谐波对电磁转矩的影响是较大的，由于其互相作用会产生切向力，也会产生切向的电磁转矩，并且还会形成径向力，这些径向力不断的变化，随时间和空间而变。在这种情况下，电机的气隙中会有不同次数和频率的径向力波。

由于这些径向力波对铁心的作用，导致定子铁心以及电机机壳，和转子铁心发生径向位移形变，也就是产生振动。所谓的振动频率即是这些力波的作用频率，由于一般使用刚性轴，转子铁心的振动较小，只需要考虑机座和定子铁心的振动情况即可。定子和机壳的振动会带动周围空气有规律的脉动，从而引起气载噪声，这就是电磁噪声的主要构成。在不同阶次的径向力波中，尤其以低阶次大幅值的径向力波对电磁噪声的影响为大。主要是由于低阶次的力波所引起的铁心弯曲力臂较长，这样相对刚度会较差，从而会产生更大的径向变形。所以说定子铁心的变形量与力波阶次数的四次方成反比，与径向力波的幅值大小成正比。另外，还要考虑定子铁心和机壳的固有频率，如果固有频率和径向力波的频率相近或者相同，电机振动值会大大上升，同时噪声值会大大增加。

表1 我公司设计的低压大功率12极立式电机系列产品性能参数

2 优化方案设计

由以上的理论分析我们可以得知，为降低电机的电磁噪声，首要任务是要消除低阶次的径向力波，而这其中作用最大的是选择合适的定、转子槽配合。另外，降低谐波也是一项重要的降噪手段，采用合理的斜槽可以达到这一目的。大多数高极数电机槽配合是选用转子槽数多于定子槽数的方案，但是对于中小电机来说增加了转子铸铝的难度，工艺性较差。根据Takashi Kobayashi推荐的低噪声槽配合Z1=Z2+4P（Z1为定子槽数，Z2为转子槽数，P为极对数）选用72/40槽配合。这样设计便大大降低了对转子工艺性的要求，随之而来的是生产效率的提高。若希望降低作用于定子铁心的径向力，最有效果的办法就是使用斜槽。在定子或者转子上使用斜槽工艺，可以使径向力波产生在电机轴线方向的相位移，从而降低电机的振动和电磁噪声。通常来说，使用转子斜槽更方便，工艺更简单。本案例中将转子槽沿外圆斜一个定子齿距。

从提高定子铁心强度的角度来说，对定子叠片导磁面积的增加是一个有效的方法，通过定子轭部高度的降低以及定子槽型的缩减，都可提高定子强度。随之而来的是铁心振动的降低和辐射噪声的减小。对于谐波幅值的削减，可以采用加大电机的气隙的办法。对于径向力波幅值的降低，可以通过提高气隙的均匀度来实现。由于增大气隙会降低电机的功率因数，所以可以在性能指标允许的范围内适当加大气隙。放大的气隙还可以降低电机的温升。在铁心叠片的时候需要转动冲片的方向，目的是避免由于硅钢片厚度不均匀造成的铁心磁场不对称，因为磁场的不均匀会造成电磁噪声的上升。同时这种方法也可以避免铁心由于硅钢片厚度不均造成的弯曲。还需要提高定子铁心的压装质量，采用更加合理的压力值以及叠压系数，以减小或消除冲片厚度差的影响。取消定子铁心与机壳筋板的焊接，改为热套工艺，选取合理的定子外圆与机壳内筋的配合工差。在转子铁心的两边使用端部压板，并且对端板齿部进行折弯处理，以增强压装贴合力，避免叠片弹开，并对转子外圆加工严格控制加工量，保证转子冲片不倒片（表1）。

3 试验结果

负载测试中，噪声由101dB(A)降低至81 dB(A)（声压级），折算为声功率级为96dB(A)，小于标准规定的空载噪声97dB(A)（声功率级）。电机装机后，客户对噪声优化十分满意，可以说远远高于客户的期望。这主要得益于定、转子的槽配合十分合理，转子斜槽的应用，定子铁心强度的提高，适当加大气隙减小了谐波幅值，提高了转子的对中质量，采用相应的措施提高了定、转子叠压质量等。