槽配合對(duì)異步電機(jī)電磁噪聲的影響分析

賀玉民， 史建萍， 崔 偉， 趙東芝， 吳若欣

(湘潭電機(jī)股份有限公司,湖南 湘潭 411101)

0 引 言

電磁噪聲主要是由電磁力作用引起電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)并由空氣傳播引起。電機(jī)定子有其固有的振動(dòng)模態(tài)，當(dāng)電機(jī)氣隙中電磁力波的空間階次與定子模態(tài)的空間階次相同，且電磁力波頻率與定子模態(tài)固有頻率相近時(shí)，會(huì)引起電機(jī)定子共振[1-3]，進(jìn)而使電機(jī)產(chǎn)生巨大的電磁噪聲，甚至不能正常運(yùn)行。對(duì)于極數(shù)多、轉(zhuǎn)速低的電機(jī)，電磁噪聲往往很突出，電磁噪聲的研究變得非常重要。本文從理論上分析了槽配合對(duì)電磁力波及電磁噪聲的影響，結(jié)合模態(tài)分析了電機(jī)的電磁噪聲問(wèn)題，并針對(duì)型號(hào)Y630-12 800kW 10kV電機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)不同的槽配合制造了不同的轉(zhuǎn)子以驗(yàn)證理論的正確性。

1 電磁力波

異步電機(jī)電磁噪聲由隨時(shí)間和空間變化并在電機(jī)各部分之間的作用力引起。這些力是定、轉(zhuǎn)子之間隨時(shí)間和空間變化的徑向磁拉力。根據(jù)麥克斯韋定律，在氣隙中的任意一點(diǎn)作用著一個(gè)徑向力，該徑向力在定子鐵心內(nèi)表面單位面積上正比于磁通密度的平方[4]，可表示為

(1)

式中：pr(θ,t)——徑向電磁力波；

Br(θ,t)——徑向磁通密度；

μ0——空氣磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7。

徑向磁通密度的詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程可參考文獻(xiàn)[4-5]，其主要由于定、轉(zhuǎn)子開(kāi)槽引起的定、轉(zhuǎn)子齒諧波相互作用產(chǎn)生，其各參數(shù)如表1所示。表1中：P為電機(jī)極對(duì)數(shù)；f為電源頻率(基波頻率)；kst、krt分別為定、轉(zhuǎn)子齒諧波的階數(shù)，均取±1，±2，±3，…；S為轉(zhuǎn)差率；Z1、Z2分別為定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)。

表1 主要徑向磁通密度波

由定、轉(zhuǎn)子齒諧波相互作用產(chǎn)生電磁力波是電磁噪聲產(chǎn)生的重要原因，按式(1)，可推導(dǎo)出在定子鐵心內(nèi)圓隨時(shí)間、空間變化的電磁力波的空間階次及頻率，其空間階次及頻率如表2所示。

表2 主要徑向電磁力波的空間階次及頻率

由表2可知，在電機(jī)極數(shù)一定時(shí)，電磁力波的空間階次和頻率與定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)有關(guān)。

2 定子鐵心模態(tài)

電機(jī)定子鐵心在實(shí)際制造中很復(fù)雜。鐵心由硅鋼片疊壓在一起，用徑向通風(fēng)槽板分成很多段，鐵心圓周用幾根肋焊接加固，兩端用壓圈緊固，定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)放置線圈等。傳統(tǒng)解析方法計(jì)算模態(tài)是通過(guò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，把很多連接的部分看成一體，實(shí)際上該簡(jiǎn)化已遠(yuǎn)離實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果不是很精確。本文基于Ansys機(jī)械分析模塊，模擬實(shí)際定子鐵心結(jié)構(gòu)連接方式，考慮疊壓系數(shù)及槽中各種材料(如槽中包含的銅導(dǎo)線、絕緣材料和浸漆等)的前提條件下，分析計(jì)算了鐵心和繞組的等效材料參數(shù)(包括各方向的彈性模量、剪切模量及泊松比)[5-6]，以計(jì)算出與定子鐵心實(shí)際相符合的模態(tài)振型。模態(tài)振型如圖1所示。

圖1 模態(tài)振型

3 電磁力波發(fā)生共振條件

當(dāng)電磁力波空間階次與定子鐵心模態(tài)階次相同,且頻率相近時(shí)會(huì)引起共振；共振大小與電磁力波幅值及階次有很大關(guān)系，且電磁力波引起的機(jī)械振動(dòng)振幅幾乎與力波階次的4次方成反比[7-8]，故若要避免大的共振只有避開(kāi)低階次力波的共振。此外，力波幅值很大且階次較高的力波引起的共振也會(huì)引起大的振動(dòng)。

電磁力波引起電機(jī)共振，可通過(guò)合理選擇槽配合來(lái)解決。本文通過(guò)對(duì)型號(hào)Y630-12 800kW 10kV電機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析，詳細(xì)說(shuō)明槽配合對(duì)電機(jī)噪聲的影響。

4 實(shí)例分析與驗(yàn)證

對(duì)型號(hào)Y630-12 800kW 10kV電機(jī)槽配合做了兩種方案： (1) 定子90槽，轉(zhuǎn)子72槽；(2) 定 子90槽，轉(zhuǎn)子112槽。并對(duì)兩種槽配合分別做了一臺(tái)轉(zhuǎn)子以驗(yàn)證理論分析的正確性。

4.1 電磁力波及定子模態(tài)計(jì)算

4.1.1 主要徑向電磁力波計(jì)算

兩種主要徑向電磁力波的計(jì)算結(jié)果分別如表3、表4所示。

表3 主要徑向電磁力波(定子90槽，轉(zhuǎn)子72槽)

表4 主要徑向電磁力波(定子90槽，轉(zhuǎn)子112槽)

4.1.2 定子鐵心模態(tài)計(jì)算

定子鐵心自由振動(dòng)模態(tài)可提取很多振型圖，本文僅根據(jù)理論有目的選取符合共振條件的振型圖。6階723Hz、6階803Hz、4階827Hz的計(jì)算結(jié)果分別如圖2～圖4所示。

圖2 6階723Hz

圖3 6階803Hz

圖4 4階827Hz

4.1.3 力波結(jié)合模態(tài)分析

(1) 對(duì)于定子90槽、轉(zhuǎn)子72槽，由表3結(jié)合圖2、圖3可知，在空間階次6階且頻率700、800Hz 狀況下會(huì)發(fā)生共振，尤其是700Hz附近共振更強(qiáng)烈，由于在700Hz時(shí)引起共振的力波幅值很高，說(shuō)明該槽配合不合適，電機(jī)用此槽配合很危險(xiǎn)。

(2) 對(duì)于定子90槽、轉(zhuǎn)子112槽，由表4結(jié)合圖4可看出，在空間階次4次、頻率827Hz附近也存在共振點(diǎn)，但頻率相差較遠(yuǎn)且力波幅值很小，故該槽配合是較為理想的。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論的正確性，針對(duì)所分析的兩種槽配合，分別做了轉(zhuǎn)子進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所用儀器為NA-28S噪聲頻譜分析儀，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖5、圖6所示(聲壓級(jí))。

圖5 噪聲頻譜圖(槽配合90/72)

圖6 噪聲頻譜圖(槽配合90/112)

該電機(jī)為敞開(kāi)式，無(wú)外通風(fēng)，故可排除外通風(fēng)噪聲的頻率段，在軸承摩擦不突出的情況下實(shí)測(cè)噪聲可反映電磁噪聲情況。由圖5可知頻率在630～800Hz段噪聲很突出，甚至在1.25kHz時(shí)噪聲也很高；換轉(zhuǎn)子112槽后，由圖6可知，上述頻率段的噪聲大大降低，電機(jī)整體噪聲也隨之下降，這充分驗(yàn)證了理論分析的正確性。

在同型號(hào)規(guī)格的立式電機(jī)上也用了此槽配合轉(zhuǎn)子。試驗(yàn)結(jié)果噪聲聲壓級(jí)71dB，較原約89dB的噪聲降低，這進(jìn)一步說(shuō)明了該型號(hào)電機(jī)槽配合90/112的合理性。

本文通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了槽配合對(duì)電機(jī)電磁噪聲有很重要的影響，改變槽配合對(duì)處理電磁噪聲是很有效的方法。

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