异步电动机电磁振动噪声自动抑制方法

柴大鹏，王晓雯，2

(1. 山西大学电力与建筑学院，山西 太原 030013；2. 山西大学电子信息工程系，山西 太原 030013)

1 引言

异步电动机又被称为感应电动机，由意大利物理学家费拉里斯在1885年发明的，其本质为交流电动机，也就是在电动机的运行过程中，由电机的气隙旋转磁场和转子绕组的感应电流之间相互作用，产生电磁转矩，从而实现电能与机械能之间的转换的过程，为舰船、电动汽车等领域普遍使用的动力源[1]。现阶段，因其使用成本较低，安全性能较高，在大功率驱动中得到较为广泛的应用。因此抑制其电磁振动噪声也逐渐成为了热门的研究内容。

电动机噪声大致可分为电磁噪声、机械噪声、空气动力噪声等，导致噪声产生的相关因素较为复杂多样，其中大致包含了电磁、机械振动、物理学等相关的各种复杂理论，同时电动机自身的结构复杂，也增加了抑制电磁振动噪声的困难性。一般情况下，产生机械噪声的主要原因是由于电机运转部分或零件相互摩擦、撞击及结构共振形成[2]。特殊情况下，可能是由于电动机各组成部分装配不平衡导致的。机械原因引起的噪声种类较多，主要归结于电机加工工艺、加工精度等，大部分是由电动机的电刷、转向器、轴承、转子、通风系统产生[3]。电磁噪声是在电机运行之后，由于气隙磁场脉冲引起了定子和转子及整个电机结构振动而产生的低频噪声，其值主要与电磁负载和电动机各部分配件的分配质量相关。电磁振动所产生的噪声大部分为结构噪声，大致可分为恒定电磁噪声和负载磁噪声两大类，其主要的产生原因为电动机的定子、转子之间的槽配合不合适，电动机的磁通气隙过小或定子、转子偏心等。

为对异步电机的电磁振动进行抑制，同时降低电机的振动噪声，本文提出了一种异步电动机电磁振动噪声自动抑制方法。首先分析电磁振动中基波磁场产生的倍频力波和定转子谐波磁场产生的径向力波，得出提高力波阶数能够一定程度对噪声进行抑制的结论，为减少阶数较小的力波，电动机的转子槽数必须与定子槽数配合适当，反之则可能产生附加的转矩，从而导致产生较大的振噪声，因此选择恰当的槽配合尤为重要。在对力波的研究基础上，由于异步电动机的不同部位和零件的振动频率不同，可以针对其各自特征，采取特定的抑制方法，通过选择最优的槽配合、合适绕组、加大磁通气隙减小气隙密度、选用转子斜槽等方法完成对异步电动机的电磁振动噪声的抑制。为验证本文方法的有效性，对样机进行噪声测试，实验证明本文方法能够充分有效的抑制异步电动机的电磁振动噪声，并且操作简单可行，具有较高的实际应用价值。

2 异步电动机电磁振动分析

针对电动机的电磁噪声问题，可以通过搭建多物理场模型来进行研究与分析，首先通过二维电磁有限元获得不同时间条件下的电磁力大小，然后在结构场中进行模态分析，从而获得电动机定子结构的波频特征，最后建立电磁辐射区的声场模型，以其振动响应的结果为基础，对辐射区的噪声情况进一步进行分析。通过分析表明异步电机[4]在运行过程中，因主磁通径向穿过气隙，产生径向力，导致电磁振动产生噪声。气隙磁场[5]中产生的径向力只要包括基波磁场产生的倍频力波和定转子谐波磁场产生的径向力波，其具体阶数和频率如表1所示。

表1 气隙中电磁力波分析

表1中，f表示电源频率，s表示转差率，p表示极对数，Z表示转子槽数。从表1可以看出，阶数越高，产生的噪声越小。因此，振型为0、1、2、3、4的振动可能产生较为严重的噪声。基波生产的力波的振动频率是电源频率的2倍，是电机振动的主要分量之一，因其是由气隙磁场基波产生的，因而无法避免。但其波频较低，A计权会有所减弱，所以对噪声和振动A计权影响较小。和转定子谐波[6]子谐波互相作用产生的力波波频较高，为A计权值及噪声的主要成分，因此是研究噪声抑制的主要研究内容。

现阶段，对定子振动特征的研究较少，因此本文通过实验数据来分析异步电机电磁振动[7]噪声产生的各个影响因素。

图1 异步电机振动峰值及频率

图1表明，电磁振动的波型是一种近似正弦波，但是其波频不止一种，与轴承引起的机械类振动波相互叠加导致异步电动机表面发生了振动。

3 电磁振动噪声自动抑制方法

电动机会产生不同种类的噪声，其主要原因是不同部位和零件的振频不同，这些噪声之间一般没有联系，可以针对其各自特征，采取特定的抑制方法。

较大阶数力波会导致磁场幅值较小，因此，提高力波阶数能够一定程度对噪声进行抑制。则假设滤波产生的滤波阶数[8]为

n=μ±v

(1)

式中v为定子谐波次数；μ为转子谐波次数。

当每极每相槽数满足于

q1=Z1/2pm

(2)

式(2)中，Z1表示定子槽数，m表示定子相数，p代表极对数[9]。当q1为整数时则

v=(6q′+1)p，q′=±1，±2，…

(3)

齿谐波[10]vz的磁振幅较大，是机电磁噪声的主要分析内容，其数学表达式可做如下描述

vz=kZ1+p，k=±1，±2，…

(4)

当q1表示成分数时，设q1=Q1/d1，则Q1和d1没有公因数，则d1表示奇数时，v=(6q′+1)p/d1，d1表示偶数时，v=(3q′+1)2p/d1，则转子谐波次数可表示为：

μ=q″Z2+v，q″=±1，±2，…

(5)

为减少阶数较小的力波，电动机的转子槽数必须与定子槽数配合适当，反之则可能产生附加的转矩，从而导致产生较大的振噪声，因此选择恰当的槽配合[11]尤为重要。本文在考虑槽配合的同时也将定子的固有波频考虑在内，以防止过度共振，带来的机械噪声。不同槽配合产生的力波如下表：

表2 36/30槽配合电磁力波表

表3 36/44槽配合电磁力波表

从表2、表3中可以看出，36/30槽配合的最小阶数为2，36/44的槽配合最小阶数为4，在同一定子结构的条件下，4阶模态的固有频率要高于2阶，更不容易引起振动产生噪声。所以36/44槽配合的噪声抑制效果要优于36/30。

加大气隙可以有效减小谐波磁场的振幅降低噪声，根据对声功率、振动幅值和径向力[12]三者的相互关系的研究分析得出三者的关系如下

(6)

(7)

则磁场密度从B1降到B2时，声功率级可降至

(8)

气隙从δ1增至δ2时，则声功率级可降至

(9)

异步电动机的噪声随着磁场密度变化情况如表4所示。

但是加大气隙会导致电动机的功率下降，致使电动机的空载电流增大，从而会产生电动机过度损耗问题，因此在加大气隙的同时，也需综合考虑各方面的相关因素。

电动机的定子绕组节距选择适当，可以抑制相带谐波，研究表明正弦绕组更适用于减小噪声。正弦绕组是通过“Δ-Y”的方式进行串联的，Y绕组滞后于Δ30°，则可以得出IY为：

(10)

则正弦绕组的谐波磁动势幅值可以表示为

Fmv=Fmv(Δ)+(-1)asd(K)Fmv(Y)

(11)

4 实验分析

4.1 实验方案

为验证异步电动机电磁振动噪声自动抑制可行性，进行实验。对噪声进行测试时，一般通过测试电机周围的噪声声压，来研究电机辐射的噪声。使用 AWA6228 多功能声级计对 LQTB-1 永磁同步电机进行噪声测试试验。实验测试环境如下所示。

图2 消音室内测试环境

4.2 实验结果

为验证斜槽能够有效的抑制噪声，在异步电机上进行了斜槽转子对电磁振动影响的对比实验。一般情况下，其斜率可以表示为一个定子槽距，如下图：

图3 电机直槽和斜槽对比图

实验结果如图4所示。

图4 斜槽对电磁振动影响对比图

由上图可以看出，斜槽后齿槽转矩整体波形变得更为平滑，波动幅值明显变小。电机齿槽转矩在 2.4091m Nm—-2.0315m Nm 范围内波动，更小幅值的齿槽转矩叠加在电机输出转矩中，将会使转矩脉动减小，从而抑制电机的电磁噪声。

当斜槽或斜极时，零阶径向力与斜槽系数减小，则斜槽系数为

(12)

式(12)中bsk表示斜槽距离，Z代表槽数，t代表槽距，那么斜极系数为

(13)

式(13)中，γ代表极距，p代表极对数。

则斜槽或斜极的声功率级变化为：

ΔL=10lg(KSK)2=20lgKsk

(14)

上述电磁力功率级值计算结果如表5所示。

表5 电机声功率级

由上表可以看出，从表中看出 165Hz 电磁噪声最显著。为进一步验证本文异步电动机电磁振动噪声抑制方法的有效性，在165Hz下，用本文方法构造了36/44槽配合的样机，并在其空载和负载状态下分别进行了噪声声压测试，结果如图5所示。

图5 样机空载通电前后噪声声压级

通过图5可以看出，空载异步电机样机在通电和断电瞬间噪声频谱没有发生明显变化，不存在较为突出的噪声分量，因此可以证明通过改变转子槽数可以有效的抑制样机的电磁振动噪声。

不同斜槽的异步电机的磁振动频率与产生噪声之间的影响数据如表6所示。

表6 不同斜槽下的电磁振动频率及噪声数据

表6中的数据能够充分证明斜槽能够有效的降低电磁振动幅度，从而减少异步电动机的电磁振动噪声。

电机在负载状态下，电磁的负荷与空载状态下相比产生了较大的变化，因此电机的振动也加剧，致使电机的负载噪声也随之增大，为验证本文样机在空载及负载状态下噪声情况，将本文样机与传统异步电机的电磁振动作对比分析，对比数据结果如表7所示。

表7 不同电动机电磁振动对比表

从表7中可以看出本文样机的振幅较低，产生噪声较小。主要原因在于本文方法根据电磁振动中基波磁场产生的倍频力波和定转子谐波磁场产生的径向力波，得出提高力波阶数能够一定程度对噪声进行抑制，降低电磁振动振幅。

5 结论

异步电动机的噪声产生因素有很多种，其中大致涉及到电磁、机械振动、物理学等各种的复杂理论，为抑制和改善异步电动机的电磁振动，降低电机负载噪声，本文提出了一种异步电动机电磁振动噪声自动抑制方法。首先对电磁振动中基波磁场产生的倍频力波和定转子谐波磁场产生的径向力波进行分析研究，得出提高力波阶数能够一定程度的对噪声进行抑制，为减少阶数较小的力波，电动机的转子槽数必须与定子槽数配合适当，反之则可能产生附加的转矩，从而导致产生较大的振噪声，因此选择恰当的槽配合尤为重要。然后在对力波的研究基础上，考虑到电动机的不同部位和零件的振频不同，可以针对其各自特征，采取特定的抑制方法，因此通过选择最佳槽配合及合适绕组、加大磁通气隙、选用转子斜槽等方法完成对异步电动机的电磁振动噪声的抑制。实验条件下，对样机进行噪声测试，证明本文方法能够充分有效的抑制异步电动机的电磁振动噪声，并且操作方法简单可行，具有较高的实际应用价值。