异步电动机电磁噪声的电磁力计算方法研究

2018-06-08，，

防爆电机 2018年3期

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(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002)

0 引言

三相异步电动机的电磁噪声主要由气隙谐波磁场的不均匀引起的，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。因此，对于电磁噪声的研究主要是研究由电磁力引起的电磁振动。

1 异步电动机电磁噪声产生的原因

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。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。对于异步电动机来说，电磁噪声形成的原因归结为

(1)气隙空间的磁场是一个旋转力波，它的径向力波使定子和转子发生径向变形和周期性振动，产生了电磁噪声。

(2)气隙磁场中除了电源基波分量外，还有高次谐波分量，高次谐波的径向力波也都分别作用于定转子铁心上，使它们产生径向变形和周期振动，在一般情况下，对高次谐波来说(除r=1外)，电动机转子刚度相对较强，定子铁心的径向变形是主要的，可能产生较大的电磁噪声。

(3)定子铁心不同阶次谐波的变形，有不同的固有(自振)频率，当径向力波的频率与铁心的某个固有频率接近或相等时，就会引起“共振”效应。这种情况下，即使径向力波幅值并不大，也会导致铁心变形、周期性振动和产生较大的电磁噪声。

(4)定转子槽都是开口的，气隙磁导在旋转时也是在变化和波动的，气隙磁场中出现了很多在基波磁势作用下产生的“槽开口波”，它们与气隙和槽开口大小有关，气隙越小，槽口越宽，它们的幅值越大。

(5)气隙不均匀会使气隙磁导随转子旋转而周期性地变化，从而产生额外的谐波磁场，如果这些谐波磁场相互作用产生低阶次的电磁径向力，则会产生额外的电磁噪声，叠加在电机原有的噪声上。如气隙不均匀度较严重时，电动机可能会产生较大的噪声而影响其正常运行。异步电动机气隙不均匀是由定子铁心内圆变形或转子表面的非圆柱形引起的偏心、定转子安装不良或轴承磨损引起的偏心而造成的。

2 异步电动机径向电磁力的求解方法及理论分析

气隙的电磁场是一个旋转波，由于它是时间和空间上变化的量，因此产生的磁拉力会使定、转子产生周期性振动和形变，如图1所示。磁场中除了其基波分量外还有高次谐波分量，这些波均会作用在定子上，产生不同频率和振幅的振动。

图1 电磁振动原理

由于定子本身的结构特性，使得径向电磁力成为电磁噪声的主要来源，而电磁力的切向方向会使定子齿部造成局部弯曲，相对来说是次要的。因此在感应电机电磁力的分析过程中主要计算其径向力。理论计算径向力的方法一般采用磁势-磁导途径求法，即利用绕组磁动势的分布表达式与气隙磁导的乘积求出气隙磁通密度再由麦克斯韦定律求得径向力的瞬时值。此方法为经典电机设计中常用到的方法，是电磁力的解析计算，这种方法只是对实际的电磁力给出一个径向幅值的近似值，只能算出几个对噪声比较有贡献的量，如主波电磁力和几个特殊频率的谐波的电磁力；但鉴于电磁噪声的性质，尤其对于中小型电机，高频谐波较为重要，因此这种方法可以方便的计算出高次谐波的频、幅而不失其精准性。

利用磁势-磁导方法求径向力的方法大体过程分为以下四步

(1)求出定转子在气隙中产生的磁势；

(2)求出气隙中的磁导；

(3)利用前两步计算结果求出气隙中的磁场强度；

(4)由麦克斯韦定理求出电磁力。

这种方法只分析了径向力，计算过程中是把磁势和磁导分开来求的，因此得到的磁场也是分部的磁场。需要计算的磁势和磁导有：气隙基波磁动势、定子谐波磁动势、转子谐波磁动势；气隙平均磁导、定子齿谐波磁导、转子齿谐波磁导和定转子开槽后相互影响的谐波磁导；对于力波频率的计算，常以力波极对数制成力波阶数分析表，先求出相应的阶数再通过极对数算出相应的频率。在此其推导过程就不逐一列出了，下文具体计算时将直接应用推导结果。