电机冷却风机振动与噪声的控制措施及效果研究
2019-04-12王德柱
朱 新，王德柱
电机冷却风机振动与噪声的控制措施及效果研究
朱 新，王德柱
（湖南湘电动力有限公司，湖南湘潭 411101）
为了降低冷却机对电机振动噪声的影响，用分析与试验结合的方式，找到了从辐射与传递途径上对电机振动与噪声进行控制的方法，并在电机样机上进行了试验，试验结果证明控制措施十分有效。
电机 冷却风机 减振 降噪
0 引言
振动和噪声是电机重要的技术指标，影响了人们的工作、生活环境。对于舰船、潜艇等特殊场合使用的电机，出于安静性和舰艇隐身的需要，振动和噪声的控制更是尤为重要[1-2]。
电机冷却风机（或风扇）对于采用通风冷却的电机是必不可少的重要部件之一。在实际工程应用中发现，除了人们重点关注的电磁振动噪声、机械振动噪声和空气动力振动噪声之外[3]，冷却风机产生的振动噪声对电机的影响不容忽视，尤其是近年来随着电机制造工艺水平逐渐提高，电机本身除风机以外的振动噪声控制越来越好，冷却风机对电机振动噪声的影响也越来越明显。
本文在对风机振源进行分析的基础上，制造了试验平台（主要由电机样机和冷却风机样机组成），通过试验，从数据上对比论证了冷却风机对电机振动噪声的影响，然后找到了解决措施，通过试验充分验证了措施的可行性和效果。
1 电机冷却风机振动与噪声分析
1.1 冷却风机振动与噪声产生机理
冷却风机振动和噪声就其主要振源产生机理而言，可分为旋转振动噪声和涡流振动噪声。旋转振动噪声是由于叶片周围不对称结构与叶片旋转所形成的轴向不均匀流场相互作用而产生，它与叶轮的转速有关；涡流振动噪声主要是由于气流流经叶片时产生紊流附面层及漩涡与漩涡分裂脱体，而引起叶片上压力脉动所产生[4]。
1.2 风机对电机振动与噪声的影响分析
目前，国内低振动噪声风机一般可以将噪声控制在85~90 dB左右，国外低振动噪声风机一般的噪声在83~86 dB左右。若采用两台风机并联运行，其产生的噪声值比单台风机运行要增加约3 dB。当电机本身噪声接近甚至低于风机噪声时，外加冷却风机对电机的空气噪声影响较大。
相对噪声而言，由于冷却风机的质量远远小于电机的质量，其振动水平对电机本体的影响相对有限，但其中风机的特征频率（主要是轴频和叶频）振动传递到电机机脚的振动可能较大。
2 试验平台
2.1 电机的选择及说明
选用一台1500 kW异步发电机作为本次研究的样机，为确保试验结果的准确性，对样机本体（不含风机）采取了一系列减振降噪措施，主要措施如下[5]：
1）采用鼠笼型转子，该结构质量对称性好，相对于绕线型转子稳定性也更好；
2）采用座式滑动轴承，该轴承的稳定性单独进行了充分的试验验证；
3）定子采用十二相绕组（4Y），定转子槽配合为96/84，定子斜槽一个齿距，对样机电磁振动噪声进行了很好的抑制；
4）风路设计尽可能地降低了空气流动带来的振动噪声影响，改变风道方向时采用大的半径；风道截面积逐步变化；垂直于风道面的障碍物设计成流线型。
2.2 试验风机的选择及说明
2.2.1试验风机性能参数
根据电机样机通风冷却的需求，采用两台低噪声离心通风机并联运行，选取的风机在2000 Pa的系统阻力下输出风量约为3900 m3/h（单台），该风机为单离心式，由电动机直接驱动，额定转速为2890 r/min，额定功率为4 kW，额定电压为380 VAC，额定频率为50 Hz。
2.2.2试验风机振动噪声指标及重量
1）单台风机振动均方根有效值：≤1.8 mm/s；
2）单台风机空气噪声（距风机1 m处）：≤85（dB）（声压级）；
3）两台风机并联后总空气噪声（距风机1 m处）：≤88（dB）（声压级）；
4）单台风机重量：70 kg。
2.2.3风机安装
本文选择两台风机并联运行，风机安装电机样机机座的上方，风机进风口、出风口与电机样机采用软管进行连接。风机安装如图1所示。
3 风机对电机振动与噪声的影响测试
电机样机在额定工况下运行，在开启冷却风机和不开启冷却风机两种情况下分别测量电机样机的机脚振动加速度及噪声。
测试结果与理论分析结论一致，风机对电机噪声影响较大，对电机机脚振动加速度也存在一定影响，尤其是风机的特征频率十分明显，本文采用的样机开启风机后噪声（本文测点均为距被测设备1 m处）增加了4.88 dB。风机开启前后样机噪声对比详见表1。
图1 风机安装示意图
表1 风机开启前后噪声对比
电机机脚振动加速度值（50 Hz）增大了13.5 dB，风机开启前后电机机脚振动加速度对比详见图2。
图2 风机开启前后电机机脚振动加速度对比
根据分析和测试结果，对风机振动和噪声进行抑制十分必要。经过分析，并在试验平台上对多个措施进行了试验，其中采用设置风机消声罩和对风机进行隔振的方法从辐射与传递途径上对振动与噪声进行控制最为有效，本文重点对这两种方法进行描述。
4 风机振动与噪声的控制措施
4.1 风机消声罩
本文采用的风机消声罩结构外形如图3所示，为便于安装、拆卸，由对称的两部分组成，与样机配合将风机包围起来，从辐射途径上达到控制噪声的目的。消声罩有两层，外壳采用铝合金材质，内层为吸声材料，吸声材料采用海绵橡胶板（牌号为HM102-29-HG6-413-1979）；考虑风机电动机自身的散热需求，消声罩盖板为百叶窗结构。
图3 消声罩结构外形图
4.2 风机隔振
风机电动机底脚通过支架安装在4个橡胶型隔振器上（两台风机共8个隔振器），隔振器固定在电机样机机座上，风机隔振器安装示意图如图4所示。风机隔振器设计指标为：
1）静载荷作用下的隔振器压缩变形<3.3 mm；
2）横倾/摇和纵倾/摇情况下风机重心位移不超过12 mm；
3）隔振系统垂向固有频率设计为11 Hz。
图4 风机隔振器安装示意图
4.3 风机消声罩安装前后对比试验
首先单独运行风机，分别对安装消声罩和不安装消声罩的风机噪声进行测试；然后同时运行电机和风机，对安装消声罩和不安装消声罩的电机噪声进行测试；最后关风机，对仅电机运行的电机噪声进行测试，对比结果见表2。
表2 安装消声罩前后噪声对比
测试结果显示，安装消声罩的降噪效果十分明显，基本消除了风机噪声对电机样机的影响。
4.4 风机隔振前后对比试验
首先，对风机进行隔振，在风机隔振器上方和下方分别布置振动加速度测点，单独运行风机，对比风机隔振器上、下振动加速度值。对比结果详见表3。
然后，在电机机脚布置振动加速度测点，风机和电机同时开启，分别测量风机隔振前后的电机机脚振动加速度，再结合仅电机运行（不开风机）的电机机脚振动加速度，对比结果详见图5。
表3 风机隔振器隔振效果
图5 风机隔振前后电机机脚振动加速度对比
试验结果显示，风机隔振的减振效果十分明显（对风机特征频率的隔振效果>30 dB），基本消除了风机对电机机脚振动加速度的影响。
5 结论
本文根据分析和试验，得出以下结论：
1）冷却风机对电机噪声以及电机机脚振动加速度都存在较大影响，尤其是风机的特征频率振动加速度传递到电机机脚，从而造成该特征频率电机机脚振动加速度明显增大。
2）本文提出的安装消声罩的措施减噪效果显著，通过对比测试，安装消声罩后基本消除了风机噪声对电机的影响。
3）本文提出的风机隔振措施减振效果很好，通过对比试验，风机合理隔振后基本消除了风机振动对电机机脚加速度的影响。
[1] 孙卫红, 晏欣. 潜艇振动与噪声控制技术的最新研究进展[J]. 噪声与振动控制, 2012, (5): 6-10.
[2] 王刚毅, 石磊, 倪凤燕. 电力推进船舶机舱振动与噪声控制技术［J］. 机电设备, 2017, (4): 79-82.
[3] 陈永校等. 电机噪声的分析和控制[M]. 杭州: 浙江大学出版社, 1987.
[4] 姜丽华, 洪心兰, 徐瑞银. 离心风机噪声控制研究［J］. 矿山机械, 2005, 33(9): 27-28.
[5] 王建民, 让余奇. 电机噪声分析及抑制措施［J］. 船电技术, 2010, (8): 8-10.
Research on Control Measures and Effects of Vibration and Noise of Motor Cooling Fans
Zhu Xin, Wang Dezhu
（Hunan Xiang Dian Power Co., Ltd., Xiangtan 411100, Hunan, China）
TM41
A
1003-4862（2019）03-0062-03
2018-10-30
朱新（1983-），男，本科。研究方向：电气工程。E-mail: 154457159@qq.com
