异步电机电磁噪声的槽配合方案优化

禹利华　易灵芝　崔伟

摘要：

异步电机的电磁噪声问题一直是国内外各大电机制造公司面临的难题，随着高功率密度异步电机的出现，其电磁噪声的解决将会更加困难。本文通过一台高功率密度电机就电磁噪声问题对所选槽配合进行优化对比，制造出低噪声高功率密度电机，希望能对同行有点帮助。

关键词：异步电机；电磁噪声；电磁力波；槽配合；定子模态

中图分类号：TM343.3文献标识码：A

Abstract：Asynchronous motor electromagnetic noise problem has been the difficulties faced by domestic and foreign each big motor manufacturing company，with the emergence of high power density asynchronous motor，the electromagnetic noise will be more difficult to solve.In this paper，a high power density motor electromagnetic noise problem to optimize the selected slot coordination，make motor，low noise and high power density，hoping to provide a value of reference to the machine designer.

Key words：asynchronous motor；electromagnetic noise；electromagnetic force wave；slot coordination；stator mode

1引言

随着电机的发展，在电机功率不变的情况下，电机的体积将会越来越小，这就是所谓的高功率密度电机。在此情况下，在设计阶段就会出现一些问题，比如电磁噪声问题，该问题在传统电机上就一直是国内外各大制造厂家所面临的难题，随着电机功率密度的增加，电机气隙中的磁通密度会增加，导致电磁力波幅值大大增加，由于电磁力波的频率一般是在中高频阶段，机座壁板很难做到很好的隔声效果，那么就会导致电磁噪声增加，该声音很难听会导致人内心变得烦躁不安；甚至某些客户在订购电机时专门要求电机运行时在某频率下的噪声限值，以便避开敏感的电磁频率。另外国家环保要求工作环境不得超过声压级85 dB以及电机行业的噪声标准等，因此，电磁噪声问题是必须要解决的问题。

电机运行时，当电磁频率与电机定子固有频率近似并且阶次相同时，电机就会发生共振[1-6]。如果电磁力波幅值很高，该电磁共振是可以导致电机部件损坏甚至电机运行瘫痪，给客户造成巨大的经济损失；因此对于高功率密度电机，避开电磁共振是非常重要的指标。本文将通过实例介绍针对电磁噪声的槽配合选择方法，希望能为广大同行提供有用的参考价值。

2电磁力波分析

电磁力波是电磁振动和电磁噪声的激励波，计算电磁力波是研究电磁噪声的基础。本文基于磁导分析法，分析异步电机径向电磁力的谐波含量，物理概念清晰。根据马克斯韦定律，在气隙中的任意一点作用着一个径向力，该径向力在定子铁芯内表面单位面积上正比于磁通密度的平方，而磁通密度是磁势与磁导的乘积，计算公式如下[7-11]。

pr（θ，t）=br2（θ，t）2μ0（1）

式中：pr（θ，t）—径向电磁力波（牛/米2）；

br（θ，t）—径向磁通密度（特）；

μ0=4π×10-7—空气磁导率（亨/米）

由式（1）可见径向磁通密度波之间相互作用（即相乘）可产生径向电磁力波，如一个极对数和频率分别为ma和fa的磁通密度波和另外一个极对数和频率分别为mb和fb的磁通密度波相互作用产生力波的阶次和频率分别为ma±mb和fa±fb。主要径向磁通密度波见表1，而由气隙磁通密度波相互作用产生的电磁力波见表2.

异步电机的气隙磁场中幅值较大的谐波往往是定子齿谐波和转子齿谐波，定子齿谐波主要是由基波磁动势和定子齿谐波磁导引起，转子齿谐波主要由基波磁动势和转子齿谐波磁导引起。定转子齿槽相互作用产生的谐波主要由基波磁动势和定转子齿槽相互作用产生气隙磁导引起。饱和谐波主要由基波磁动势和饱和磁导引起[9]。

表2中径向电磁力波解析表达式中极对数和频率是由表1中推导出来的，比如一个极对数和频率分别为ma和fa的磁通密度波和另外一个极对数和频率分别为mb和fb的磁通密度波相互作用产生力波的阶次和频率分别为ma±mb和fa±fb，在表2中kst、krt和c取值均为

±1，±2，±3，…，ksa取值1，2，3。

当电机定转子槽配合确定后，就可以按照表2中的公式进行计算分析电磁力波的阶次和频率作基本预测。

3实例分析应用

本文针对高功率密度电机型号为YXKK63012 2500 kW 6 kV電机电磁噪声进行槽配合优化选择，所选用的槽配合分别为90/112、108/83、108/128、108/134、72/95五种槽配合方案进行计算分析。

31槽配合优化选择

不同槽配合电磁力波计算结果见表3。表3中不同阶次、不同频率的电磁力波均有同阶次、频率近似的铁心模态振型，在此基础上分析哪种槽配合的电磁力波会产生最小的电磁噪声，然后加以应用；在均有同阶次、频率近似的定子铁心模态振型且电磁力波频率在700 Hz～1250 Hz范围前提下判断的原则如下：1、力波阶次越高、幅值越小所产生的电磁噪声越小；2、对于很多不同阶次但其频率都相对集中的最好避免使用；endprint

在上述两个原则下我们选择槽配合108/128。

这里需要加以说明的是，表3所列电磁力波并非计算的所有电磁力波分量，这里只是选择了阶次较低、幅值百分比较高的电磁力波，因为它们才会对电磁噪声有影响，而没有列出的力波分量对电磁噪声的影响可以忽略。

31槽配合108/128电磁噪声实测频谱

电机型号为YXKK63012 2500 kW 6 kV的高功率密度电机，定转子槽配合选择108/128，电机外形图见图1所示，噪声测量时以此按照测量点1、测量点2、测量点3、测量点4逆时针顺序进行测量，所测量的噪声声压级噪声以次为78.8 dB、76.9 dB、81.1 dB、76 dB、空载运行时基本听不到电磁噪声；该电机槽配合选择成功。

为了分析验证所计算的电磁噪声频率是否正确，现以测量点2（出线盒侧）噪声频谱进行分析见表4。

由于频谱测量采用1/3倍频程，因此所测频率不会与计算值完全一样。由表4可看出，在断电前后，以1000 Hz的噪声变化最大，很明显该频率为电磁噪声的近似主频率，与表3中序号3内容做比较可发现，测量的电磁噪声值与计算是吻合的。

实际上在表3中，对于序号3里的内容4阶的力波是可以不考虑的，因为其幅值比不大而且阶次相比较较高。因此对电磁力波计算结果只需考虑其1阶和2阶的，而他们的频率才决定了所测量的电磁噪声频率。

从试验结果可以看出，针对该高功率密度电机，选择合适的定转子槽配合成功地解决了该电机电磁噪声问题。

本文通过对高功率型号为YXKK630-12 2500 kW 6 kV进行槽配合优化选择，成功解决了该电机电磁噪声问题。希望能为广大同行提供点解决电磁噪声问题的思路。

参考文献

[1]贺玉民，史建萍，崔伟，等.槽配合对异步电机电磁噪声的影响分析[J].电机与控制应用，2014，41（4）：39-41.

[2]Ν·Γ·舒波夫.电机的噪声和振动[M].北京：机械工业出版社，1982.

[3]HELLER B，HAMATA V.異步电机中谐波磁场的作用[M].北京：机械工业出版社，1980.

[4]MORI D，ISHIKAWA T.Force and vibration analysis of induction motors[J].IEEE Trans on Magnetics，2005，41（5）：1948-1951.

[5]WANG C，LAI J C S.Vibration analysis of an induction motor[J].Journal of Sound and Vibration，1999，224，（4）： 733-756.

[6]陈永校，诸自强，应善成，等.电机噪声的分析和控制[M].杭州：浙江大学出版社，1987.

[7]王荀，邱阿瑞.大中型异步电动机定子模态的仿真分析[J].大电机技术，2011，（1）：1-4.

[8]崔伟，史建萍，吴若欣，等.降低电机通风噪声一种可行方案[J].电机与控制应用，2013，40（11）：50-52.

[9]王荀，邱阿瑞.降低大中型异步电动机电磁噪声的槽配合选取方法[J].大电机技术，2011，（2）：5-9.

[10]ISHIBASHI F，MATSUSHITA M，NODA S，et al.Change of mechanical natural frequencies of induction motor[J].IEEE Trans on Industry Applications，2010，46（3）： 922-927.

[11]TIMAR.Noise and Vibration of Electrical Machines[M].Elsevier Science Publishing Company，Inc，1989.endprint