降低异步电动机通风噪声的方法研究

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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

电机噪声中通风噪声是噪声源的主要构成之一，而通风噪声又主要由风扇噪声所引起，它属于空气动力噪声。影响通风噪声的因素很多，如风扇结构型式、风扇的宽径比、风叶间距、叶片数、风扇转速、通风道结构及通风效率等。本文主要研究抑制声源的方法以及消除声音传播途径的方法。

1 从抑制声源方面降低通风噪声措施

降低电机通风噪声主要从抑制声源及消声两方面采取措施。抑制声源从选择合适的风扇类型及尺寸着手。而消声就要去尽量按空气动力学合理地设计风路。下面结合理论与实践经验对这两方面进行详细说明。

电机通风噪声主要是风扇和转子旋转时所产生，其中以风扇噪声为主。风扇噪声是风叶周速、输出流量、压力和效率的函数，其中周速的影响最大。研究表明，在风扇的最高效率范围内，噪声具有最小值。噪声功率可以表示为

(1)

式中，k—系数，与风叶型式及风阻有关，表示噪声功率所占比例；η—风叶的空气动力学效率；Q—风量，m3/s；H—风压，Pa。

在风叶几何形状相似的风机中，已知一台风机的噪声功率LW0,风量Q0,风压H0,效率η0，估算另一台对应参数为Q、H、的风机噪声LW时，得

(2)

在几何形状相似的风扇中，风量Q和风压H与风扇参数的关系为

Q∞D3nb

(3)

H∞D2n2

(4)

W∞D7n5b

(5)

相似风扇噪声估算公式

(6)

式中，D、b、n—风叶外径、宽度及转速。

按以上公式计算可得出下述结果：风扇外径D减小10%，噪声降低3dB(A)；转速n减少10%，噪声降低2dB(A)；宽度b减少10%，噪声降低0.4dB(A)；效率η从0.3提高到0.4,噪声可降低1.9dB(A)。由此可见，减小风扇直径对降低噪声影响最大。

(1)风扇外径优化

在设计电机时，为了缩小电机尺寸和降低电机重量，为提高材料的利用率，一般增加风扇的流量，增大风扇的直径，以降低电机的温升，所以减小通风噪声和提高电机材料的利用率是相互制约的。设计时，应在保证温升不超过规定的限度，并留有适当裕度的条件下，合理地选择风扇和通风系统中各个部分的结构形式，并尽可能缩小风扇直径。这样不仅能减小通风噪声，而且还相应减少通风损耗和提高电机效率。结合市场订货，缩小外风扇风叶外径及宽度，进行样机试验，具体对比试验见表1。

通过表1对比发现，在温升不超过规定的限度(80K)，缩小外风扇直径及宽度，能降低电机噪声并提高电机效率。此方案优点：节约材料、提高电机效率；缺点：增加电机温升。

表1 缩小外风扇电机性能及噪声对照表

(2)风扇叶优化

叶片是风扇上向流体传递能量的唯一零件，是离心式风扇的主要部分。根据叶片出口角不同，离心式风扇叶片可分为前倾式叶片、径向式叶片和后倾式叶片三种。如图1所示，当叶片出口角β2≥90°时，为前倾式；当叶片出口角β2=90°时，为径向式；当叶片出口角β2<90°时，为后倾式。

图1 前倾、径向、后倾叶片示意图

根据叶片形状不同，可分为圆弧形叶片和平板形叶片两种。由于形状不同，离心式风扇的性能也不同，使用场合也不一样，一般大中型电机上使用的离心式风扇主要有图2中所示的四种型式。

图2 后倾式不同叶片离心式风扇示意图

图2(a)为平板形径向叶片风扇，这种风扇制造工艺最简单，而且适于双向旋转，当气流进入叶片流道时有较大冲击，流动损失较大，效率低，并会产生较大的噪声。

图2(b)为平板形后倾叶片风扇，这种风扇进口气流损失较小，但流道中流动损失较大，效率也不高。

图2(c)为圆弧形后倾叶片风扇，这种风扇流动损失小、效率高，运转时噪声也低，但叶片制造工艺复杂，成本高。

图2(d)为圆弧形前倾叶片风扇，在相同外径的情况下，这种风扇产生的风压最高，但损耗大，效率低，常用于风阻大，风压要求高的电机上。

对风扇噪声时，选择叶片形式的原则为：后倾叶片风扇噪声较低，前倾叶片风扇噪声较高，径向叶片风扇噪声居中，而圆弧形叶片产生的噪声要比平直叶片低。在风扇叶优化时，我们采用后倾式圆弧叶片，见图2(c)所示。

离心式风扇及叶片的主要结构参数如图3所示。

图3 离心风扇及叶片

后倾式叶片按下列关系确定

(7)

(8)

选择叶片进口安装角β1时，主要考虑风扇的风压和工作效率。对于后倾式风扇，由于叶道内流动损失较小，因此β1的选择应使风扇叶片进口冲击损失为最小，一般β1=15°～35°。

叶片出口角β2的选择与风扇的性能、尺寸和噪声等关系较大，因此选择β2时要综合考虑各方面的影响。对于后倾式风扇为了获得较高效率，一般取β2=30°～50°。

以YKK 500-4 1600kW电机为例，对其外风扇风叶进行优化，设计圆弧形后倾叶片风扇，具体如图4所示，其与平板形后倾叶片风扇对比结果见表2。

图4 圆弧形后倾叶片风扇

表2 圆弧形后倾风扇与平板形后倾风扇噪声及性能对比

通过表2分析，外风扇设计成圆弧形后倾叶片风扇，噪声变小，风量变大，电机温升降低，效果明显。

2 从传播方面降低通风噪声措施

如果从声源方面还不能控制通风噪声时，就要采用消声的方法。消音罩是用于气流通道中，在保证气流通过的同时，能阻止或减弱声能传播使噪声降低的一种装置。

消音罩一般分为阻式、抗式和阻抗复合式三种。一般阻式消音罩用在电机上，阻式消音罩是在管道内用多孔材料覆盖壁面来消耗声音的能量。它的消声性能相似于电路中的电阻消耗电能，这种消音罩对低频效果较差，而对中频噪声有较好的消声效果。对于电机的通风噪声，特别笛声，有很好的降噪效果。

阻式消音罩的消声量与所用材料的吸声系数α，通风道的长度l，及通风道噪声吸收壁的周边长U,通风道横截面积A有关，可用下式表示

(9)

从式(9)可以看出，消音罩长度越大，横截面越小、周边长越大、材料吸声系数越大，则它降低噪声效果越好。

吸声材料是消音罩重要组成部分，吸声材料的选择和填充是消声体效率的关键。超细玻璃棉因吸声系数大、质轻、柔软、密度小、耐热、耐腐蚀等优点，所以目前大多数消音罩吸声材料都采用超细玻璃棉，本次研究中，消音罩吸声材料也采用超细玻璃棉。

吸声材料护面结构选择：阻性消音罩是在气流流动工作的，所以吸声材料要用牢固的护面结构固定。

根据电机气流速度我们选择穿孔率大于20%的穿孔板，不仅能满足牢固的护面结构优点，还能提高消音罩吸声系数、特别是降低低频段噪声，所以吸声材料护面结构选择了大于20%穿孔板。

如果从声源方面还不能控制通风噪声时，就要采用消声的方法。消音罩是用于气流通道中，在保证气流通过的同时，能阻止或减弱声能传播使噪声降低的一种装置。

(1)进风口加消音罩

方案一：电机进风口处加消音罩，如图5所示。消音罩为罩板侧面进风，避开测量点，并经过导风板后，进入电机内部。

方案二：在方案一的基础上进行改进，增加吸声系数较高并对高频有极好的吸声高频失效尖劈，如图5所示。由于增加了高频失效尖劈，风阻减小，风路更顺畅。

方案三：在方案二的基础上进行改进，增加吸声系数较高并对高频有极好的吸声高频失效尖劈, 如图5所示。

图5 进风口消音罩方案

三种方案噪声降低对比见表3。

表3 进风口加消音罩三种方案电机噪声降低对比

(2)出风口加消音罩

方案一：在YKK方箱电机冷却器出风口处增加消音罩，具体结构如图6所示。

图6 进风口消音罩

方案二：在方案一的基础上，增加吸声系数较高并对高频有极好的吸声高频失效尖劈，即对高频有较好的消声，也增加了消声面积，如图7所示。

图7 进风口消音罩优化

此两种结构出风消音罩，分别在YKK 500-4 1600kW、YKK 355-4 450kW电机做试验，具体见表4。降低效果也不是特别明显。

表4 出风口加消音罩两种方案电机噪声降低对比

3 结语

降低异步电动机通风噪声可从抑制声源和改善通风路径两个方面入手。实践证明：

(1)从抑制声源考虑，轴流式风扇优于离心式风扇，离心式风扇中又以后倾式为好。在满足温升的要求下，减小风扇直径和风扇叶宽度降低噪声的效果显著。

(2)改善通风路径可按空气动力学原理合理地设计风路。电机的进、出风口、风罩、挡风板、散热片以及风扇的叶片形状等都要按空气动力学原理设计。障碍物表面尽量设计成流线型，减少风阻。在电机进风口或出风口增加消音罩的方法降低噪声有一定效果。