鋁殼電動(dòng)機(jī)電磁噪聲的控制
雷奶華1，陳筱鐵2，雷孫栓1，溫韻光1
(1寧德出入境檢驗(yàn)檢疫局，福建福安3550l7；2福建出入境檢驗(yàn)檢疫局，福建福州355000)
摘要：從研究鋁殼電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，從轉(zhuǎn)子徑向電磁力、共振和定子變形三方面分析了電磁噪聲產(chǎn)生的原因，采用降低氣隙碰密、加均壓線、改進(jìn)工藝等措施治理鋁殼電動(dòng)機(jī)電磁噪聲，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明有效降低了噪聲，提高了鋁殼電動(dòng)機(jī)的制造質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：鋁殼電動(dòng)機(jī)；電磁噪聲；控制
中圖分類號(hào)：TM306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004一7018(2010)04—0070—03
0引 言
鋁殼電動(dòng)機(jī)就是用壓鑄鋁的外殼替換傳統(tǒng)的鑄鐵外殼的電動(dòng)機(jī)。鋁殼電動(dòng)機(jī)具有外形美觀、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、生產(chǎn)過程比較環(huán)保、生產(chǎn)效率高、運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，深受廣大用戶的歡迎。電動(dòng)機(jī)的噪聲是涉及環(huán)保和衛(wèi)生的項(xiàng)目，歐盟、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家均對(duì)其要求越來越高[1]。
1鋁殼電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
拆開一臺(tái)鋁殼電動(dòng)機(jī)，如圖l所示，可以看到前后端蓋、鋁外殼輕而薄，工藝較為細(xì)致。鋁殼電動(dòng)機(jī)的三個(gè)特點(diǎn)較為突出：一是鋁殼電動(dòng)機(jī)外圖1鋁殼電動(dòng)機(jī)拆解圖  殼為鋁合金壓鑄形成的，由于鋁材的延展性能好、比重小使鋁殼重量輕、材料的剛度低；二是鋁殼加工的工藝要求高，機(jī)殼、端蓋的同心度差；三是鋁殼不導(dǎo)磁，電動(dòng)機(jī)軛部磁路相對(duì)比鐵殼電動(dòng)機(jī)飽和，電磁力波相對(duì)較大等。這些特點(diǎn)造成鋁殼電動(dòng)機(jī)的噪聲較大，給生產(chǎn)和制造高質(zhì)量的產(chǎn)品加大了工藝難度，使得鋁殼電動(dòng)機(jī)的噪聲一般僅達(dá)二級(jí)噪聲標(biāo)準(zhǔn)，與歐盟電動(dòng)機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)相比平均差距4～5 dB． 2鋁殼電動(dòng)機(jī)電磁噪聲產(chǎn)生原因分析
根據(jù)電機(jī)噪聲產(chǎn)生的不同方式，大致可分為電磁噪聲、機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲三大類。由于電機(jī)的定子及轉(zhuǎn)子繞組流過交流電流，產(chǎn)生周期性變化的交變磁場(chǎng)，因而產(chǎn)生了電磁交變力，這個(gè)力經(jīng)過電機(jī)的機(jī)殼或軸系的振動(dòng)和傳遞，使周圍空氣隨之作周期性的振動(dòng)，從而產(chǎn)生了電磁噪聲。
2.1轉(zhuǎn)子徑向電磁力的作用
轉(zhuǎn)子隨時(shí)間及空間變化著的磁拉力是產(chǎn)生電磁噪聲的最重要原因。電機(jī)的電磁噪聲可由軸向、切向和徑向三方向的電磁力引起，最主要的是徑向電磁力[2]。氣隙空間磁場(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)力波，切向電磁力在一定程度上推動(dòng)了轉(zhuǎn)子，它的徑向力使轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向變形和周期性振動(dòng)。分析鋁殼電動(dòng)機(jī)的徑向磁力，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)諧波分析原理有：
式中：P表示電磁徑向力的幅值。p以角速度ω旋轉(zhuǎn)，在某一點(diǎn)的電磁力隨時(shí)間周期性變化。鋁殼電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼相對(duì)較薄，延展性較好，因此徑向力的幅值P相對(duì)較大，這也是鋁殼電動(dòng)機(jī)噪聲比鑄鐵殼電機(jī)噪聲大的根本原因2.2共振根據(jù)電磁力波理論，我們知道定子鐵心不同階次諧波的變形有不同的固有頻率，當(dāng)力波頻率與模態(tài)頻率相同，當(dāng)徑向力波的頻率與鐵心的某個(gè)固有頻率接近或相等時(shí)，就會(huì)引起“共振”[2]。在力極對(duì)數(shù)與模態(tài)振型階數(shù)相等的情況下，在每個(gè)振型半波中，受力情況和振動(dòng)位移情況都是一樣的，電機(jī)的二維電磁振動(dòng)便可簡(jiǎn)化為一個(gè)力作用下有適當(dāng)阻尼質(zhì)量的振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)學(xué)中控制一維振動(dòng)的理論便適用了。電機(jī)外殼即鋁殼的彈性好，相當(dāng)于增加了尼系數(shù)，使機(jī)殼的固有頻率下降，在低頻下更加容易產(chǎn)生“共振”，增大了噪聲。同時(shí)，定轉(zhuǎn)子槽都是開口的，氣隙磁導(dǎo)在旋轉(zhuǎn)時(shí)也是在變化和波動(dòng)的。氣隙磁場(chǎng)中出現(xiàn)了很多由于槽開口引進(jìn)的諧波，在這種情況下，即使徑向力的波幅不大，也會(huì)導(dǎo)致周期性振動(dòng)和產(chǎn)生較大噪聲。
2．3定子變形引起空氣振動(dòng)
定子變形后引起周圍空氣振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲。這時(shí)，定子相當(dāng)于一個(gè)聲輻射器。當(dāng)鐵心飽和時(shí)，將會(huì)使磁場(chǎng)正弦分布的頂部變得平坦，在磁場(chǎng)分布中加大了諧波分量，將使電磁噪聲增加。氣隙空間的磁場(chǎng)中除了電源基波分量外，還有兩次諧波分量，二次諧波的徑向力波也都分別作用于定轉(zhuǎn)子鐵心上，使它們產(chǎn)生徑向變形，在一般情況下，對(duì)二次諧波來說，電機(jī)轉(zhuǎn)子剛度相對(duì)較強(qiáng)，定子鐵心的徑向變形是主要的，可以產(chǎn)生較大的噪聲�；ǚ至繉�(duì)定子的作用和二次諧波對(duì)定子的作用如圖2所示。
鋁殼電動(dòng)機(jī)由于機(jī)殼壓迫力小，定子的形變相對(duì)增大，兇此定子形變引起的噪聲相對(duì)較大。
3鋁殼電動(dòng)機(jī)電磁噪聲控制
要降低電磁噪聲，應(yīng)盡量降低電磁力波中徑向電磁力的幅值，特別在人耳靈敏度較高的頻率區(qū)內(nèi)，對(duì)兩極電機(jī)，還要采取一定措施，減少低頻率的噪聲，在設(shè)訓(xùn)低噪聲鋁殼電動(dòng)機(jī)時(shí)，主要采取以下一些措施。
3.1降低氣隙磁密
徑向力波幅值與氣隙磁密成正比，因此降低磁密就可以降低電磁振動(dòng)及噪聲。降低氣隙磁密主要有兩種方法：使用導(dǎo)磁性好的沖片和增加氣隙[1]。噪聲與電機(jī)氣隙磁密初始值的飽和程度關(guān)系非常大。磁密的飽和程度與所用電工材料有關(guān)。設(shè)計(jì)者在對(duì)電機(jī)噪聲提出苛刻要求的同時(shí)，盡可能選取低的氣隙磁密，同時(shí)軛部磁密、齒部磁密也不能過高，否則會(huì)起到反作用。降低氣隙磁密的另外一個(gè)方法就是增大氣隙，這在鋁殼電動(dòng)機(jī)中經(jīng)常使用[2]。適當(dāng)?shù)丶哟髿庀犊梢詼p小諧波的幅值，減小氣隙的不均勻度，并能使徑向力波的幅值降低[3]。氣隙不均勻度對(duì)低轉(zhuǎn)速的鋁殼電動(dòng)機(jī)影響較大，所以，應(yīng)盡量提高定子的結(jié)構(gòu)剛性和加工精度。
3.2加均壓線
增加均壓線是鋁殼電動(dòng)機(jī)降噪的一個(gè)重要措施。對(duì)于每相并聯(lián)支路數(shù)超過1支的電機(jī)，從理論上來講各支路感應(yīng)電勢(shì)是嚴(yán)格相等的，即結(jié)構(gòu)嚴(yán)格對(duì)稱，電磁也嚴(yán)格對(duì)稱，支路間不可能產(chǎn)生環(huán)流。但實(shí)際情況下，由于工藝、裝配等因素影響會(huì)造成電磁方面的不平衡、不對(duì)稱，從而導(dǎo)致支路間產(chǎn)生環(huán)流。因此有必要將定子繞組中理論上的等電位點(diǎn)用導(dǎo)線連接起來強(qiáng)迫其等電位，讓環(huán)流無(wú)法產(chǎn)生。連接等電位點(diǎn)的導(dǎo)線就叫均壓線。加上均壓線后，鋁殼電動(dòng)機(jī)噪聲指標(biāo)將會(huì)降低3～4 dB，效果十分理想。該方案****不足就是整形工藝較為復(fù)雜，定子繞組引接線較多，而且要求接線工人工藝要較為熟練。
3．3選擇轉(zhuǎn)子斜槽距離
要避免低階徑向力波，理論分析和實(shí)驗(yàn)研究都；證明，低階力波特別一階和二階對(duì)電磁噪聲有很大的影響，****電磁噪聲頻率與二階力波有直接關(guān)系。鋁殼電動(dòng)機(jī)通常采用少槽一近槽配合，這樣可以減少齒諧波磁通在鐵心齒中產(chǎn)生的脈振損耗和斜槽籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的橫向電流損耗，但少槽一近槽配合易產(chǎn)生電磁振動(dòng)和噪聲[4]。為了降低電磁噪聲，必須避開低階徑向電磁力波，選擇合理的槽配合。斜槽除了可以改善鋁殼電動(dòng)機(jī)的工作特性、起動(dòng)性能外，同樣也使噪聲值在一個(gè)較大范圍波動(dòng)。采用定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜槽，會(huì)使作用到給定軸向位置的定子迭片上的徑向力與作用在其他軸向位置的定子迭片上的徑向力不同。換句話說，采用斜槽使得不同軸向位置的力之間存在相位差。因此，作用在一條母線上的平均徑向力，乃至振動(dòng)和噪聲級(jí)，都將因采用斜槽而降低。實(shí)際上，斜槽對(duì)小型的鋁殼電動(dòng)機(jī)很有利，大型電機(jī)一般不采用斜槽，因?yàn)樗鼤?huì)在轉(zhuǎn)子鼠籠導(dǎo)條之問引起跨越電流，并造成扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而增大噪聲。對(duì)于小型交流電機(jī)，這種扭動(dòng)的固有頻率一般高于10 kHz，因而這種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)電機(jī)所發(fā)出噪聲的影響可以忽略。由于采用轉(zhuǎn)子斜槽而使噪聲級(jí)減小，可表示為：
式中：L1為沒有轉(zhuǎn)子斜槽時(shí)的聲級(jí)；L2為有轉(zhuǎn)子斜槽時(shí)的聲級(jí)；r為促成有關(guān)力波的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)波的極對(duì)數(shù)；α為以弧度表示的轉(zhuǎn)子斜槽的幾何偏斜角度[5]。
3.4降低電機(jī)表面的動(dòng)態(tài)振動(dòng)
力波頻率與模態(tài)頻率相差較大時(shí)能降低電磁噪聲的原理，使電機(jī)結(jié)構(gòu)固有頻率與主要的激發(fā)力頻率失諧。為此必須確定定子結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和末端防護(hù)罩的固有頻度，并將這些固有頻率同主要激發(fā)力成分的頻率相比較，對(duì)于用固體組件變頻供電的交流變速電機(jī)，避免發(fā)生共振極為困難，因?yàn)槠渲饕ぐl(fā)力的頻率隨可變頻率的基波將在很寬的頻率范圍內(nèi)變化。增大定子鐵心厚度，以便增強(qiáng)其剛度，因?yàn)槎ㄗ拥恼穹婆c定子鐵心厚度的立方成反比，而發(fā)出的噪聲則與定子振幅的平方成正比，所以如把定子鐵心厚度由h1增大到h2，則聲功率級(jí)的減少值近似為  鐵心厚度增大50％，則與此相對(duì)應(yīng)，聲功率級(jí)將減少大約10．5 dB。盡管這種方法對(duì)于減少磁噪聲是有效的，然而將大大增加電機(jī)的重量并使成本提高，還應(yīng)調(diào)整定子裝置的固有頻率以確保不使較厚的鐵心產(chǎn)生共振[6]有時(shí)，在鋁殼上有散熱筋或散熱片，主要是用來改善冷卻效果的。然而這些散熱筋在一定的程度上也增強(qiáng)了定子結(jié)構(gòu)的剛度，從而減少了發(fā)出的噪聲。
3.5改進(jìn)工藝
降低電磁噪聲還需要從改進(jìn)工藝著手，常用的有以下方法：
(1)采用定子壓鑄后再車機(jī)殼兩端外圓的工藝；
(2)車前后端蓋止口時(shí)采用合理的工裝，使其在加工時(shí)不容易變形，以保證較好的精度；
(3)采用硬度較好的鋁合金端蓋，并盡可能用外接鏍栓來固定，以減少偏心量；
(4)由于鋁殼電動(dòng)機(jī)較輕，電機(jī)底腳的不平衡會(huì)使振動(dòng)加大從而影響噪聲。在電機(jī)生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)盡量使電機(jī)的底腳平穩(wěn)，在裝配時(shí)應(yīng)磨去底腳的毛刺；
(5)定子壓鑄時(shí)盡可能采用熱套的工藝，用感應(yīng)加熱器使機(jī)殼受熱膨脹，而后壓人定子，熱套工藝的使用可以在一定程度上減小壓定子產(chǎn)生的機(jī)殼變形和裝配偏心。
4 實(shí)例
在某工廠車間隨機(jī)抽取一臺(tái)鋁殼電動(dòng)機(jī)樣機(jī)MS803—6，輸出功率為O．75 kw，設(shè)計(jì)電壓為380v，冷卻方式Ic01。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBl0069．3—2006《旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法及限值第1部分：旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法》，對(duì)治理前三次測(cè)得該鋁殼一電動(dòng)機(jī)，取中間大小的；檢測(cè)結(jié)果噪聲為68．6dB，其噪聲檢測(cè)頻率分布圖如圖3所示。
利用上述方法控制噪聲，同選武鋼w50左鋼片，增大氣隙O.1 mm，三相增加均壓線6條，采用熱套裝配，我們也三次測(cè)量并取中間大小的檢測(cè)結(jié)果，得到電機(jī)噪聲為63.1 dB噪聲頻率分布m圖，如圖4所示。我們可
以看到在人容易感知的頻率段30～500 Hz的噪聲明顯減小，大于500 Hz圖4治理后噪聲測(cè)試圖的噪聲在治理前后相當(dāng)，而小于20 Hz的低頻率噪聲則比治理前偏高，因此在對(duì)低頻率噪聲要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，不能使用該方法對(duì)鋁殼電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。
5結(jié)語(yǔ)
鋁殼電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其電磁噪聲相對(duì)較大。通過有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，采取適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工藝進(jìn)行治理，試驗(yàn)證明，著重選擇轉(zhuǎn)子斜槽距離、加均壓線和控制同心度工藝等能有效地降低和控制電機(jī)噪聲污染，從而提高電機(jī)的品
質(zhì)。  |
