潘志軍，彭偉林，方 芳，胡 晶

(1.杭州市南排工程建設管理處，浙江 杭州 310020；2.中國電建集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014； 3.浙江江能建設有限公司，浙江 杭州 310002；4.杭州市林業(yè)水利局信息中心，浙江 杭州 310014)

大型泵站低噪聲電動機設計分析及噪聲測算

潘志軍1，彭偉林2，方 芳3，胡 晶4

(1.杭州市南排工程建設管理處，浙江 杭州 310020；2.中國電建集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014； 3.浙江江能建設有限公司，浙江 杭州 310002；4.杭州市林業(yè)水利局信息中心，浙江 杭州 310014)

杭州三堡排澇泵站因地處錢江新城核心區(qū)域，對泵站排水運行時的噪聲提出了嚴格的控制指標.通過綜合考慮噪聲源、傳播途徑、接受者防護等因素，并對泵站運行時最大噪聲源電動機的降噪措施分析，從電動機噪聲形成機理著手，利用計算機有限元建模對電磁過程進行數(shù)值仿真計算，驗證電動機制造設計預估噪聲值符合控制指標.經(jīng)電動機噪聲實測值證明，電磁過程仿真計算有效、準確，可在電機制造設計中應用.

泵站；電動機；噪聲；設計

泵站建設在城市核心區(qū)，泵站運行時噪聲必須控制在批準噪聲指標以下.目前國內(nèi)已建成的水泵機組斜軸布置的大型泵站中,治理噪聲可借鑒的經(jīng)驗較少，泵站前期建設階段從噪聲源和噪聲傳播途徑兩個方面提出并優(yōu)化噪聲控制的針對性綜合措施[1-2]，控制噪聲源方法是降低噪聲的最有效、高性價比的方法[3-4].經(jīng)過對浙江省同類型的鹽官泵站運行噪聲現(xiàn)場測試，甄別噪聲源頭，研究設計降低大型同步電動機運行噪聲的方案，最大限度地降低泵站運行噪聲對周圍環(huán)境的影響.

杭州三堡排澇泵站主廠房內(nèi)主機層和裝配場相連，長69.44 m，總體寬度為51.5 m.設計水泵4臺，總排澇流量200 m3/s，規(guī)模位列全國大型泵站前列.選配T3300-8/1730型同步電動機，額定轉速750 r/min，電動機功率3 300 kW.水泵為3560ZXQ50-4.05型軸流泵，額定轉速115.4 r/min，斜30°安裝，兩級圓柱齒輪箱減速器高速軸與同步電機相連，低速軸與水泵相連.泵站內(nèi)4臺機組斜式一字布置，機組運行時噪聲疊加，情況復雜，多臺水泵同時運行會產(chǎn)生嚴重的噪聲，對周邊環(huán)境產(chǎn)生噪聲污染.

1 電動機噪聲控制指標和降噪設計分析

前期同類型泵站兩臺機組同時運行噪聲經(jīng)過實測表明廠房內(nèi)電動機最大聲源強度超過90 dB(A)，推算4臺水泵同時運行噪聲增幅為2～5 dB(A)[5].監(jiān)測結果反映出該泵站噪聲已大于泵站設計規(guī)范與相關標準的要求，且電動機邊測得噪聲最大，實驗測試數(shù)據(jù)(見表1).泵站建設環(huán)評批復中要求執(zhí)行《聲環(huán)境質量標準》(GB3096—2008)[6]，運行期執(zhí)行標準(見表2).同步電動機運行時噪聲主要為機械轉動噪聲、空氣動力噪聲和定子電磁噪聲等，互相影響且疊加.同步電機運行時空氣動力噪聲限制采取優(yōu)化定子內(nèi)部風路結構設計、定子冷卻由風冷改為空水冷冷卻方式、定子內(nèi)壁增加吸聲材料設計方法降低噪聲.機械轉動噪聲限制采用低磨損的高性能滾珠軸承和降低電機轉速方案.降低轉速設計由初選轉子6極同步電機改為轉子8極同步電機，轉速則由1 000 r/min降低到750 r/min，轉子8極同步電機空載運行時與同容量轉子6極同步電機相比，經(jīng)相關資料和規(guī)范查得，運行時噪聲可以降低2～3 dB(A)[7].在上述兩方面降噪措施設計基礎上，重點研究電磁噪聲的治理方案，經(jīng)綜合比選，確定泵站同步電動機型號T3300-8/1730和制造設計關鍵技術參數(shù).電動機額定電壓10 kV，頻率50 Hz,額定轉速750 r/min.定子3相繞組，Y型接法，定子槽數(shù)120，雙層繞組，并聯(lián)支路數(shù)為4.鐵芯長度為860 mm，氣隙長度為12 mm，定子外徑為1 500 mm，定子內(nèi)徑為1 120 mm，轉子4對極對數(shù)，轉子外徑為1 096 mm.低噪聲同步電機研究設計方案力爭把電機空載運行噪聲控制在85 dB(A)，比規(guī)范規(guī)定噪聲值約低3 dB(A).

表1 同類型泵站3#、4#兩臺機組同時運行時各監(jiān)測點噪聲聲級 單位：dB(A)

表2泵站運行期廠界噪聲執(zhí)行標準

單位：dB(A)

2 泵站同步電機電磁過程仿真分析

電動機電磁噪聲主要是電機通電后電磁場產(chǎn)生的電磁力引起電機結構部件的振動，從而使電機定子內(nèi)空氣粒子形成疏密聲波，其大小取決于電磁力大小、電機結構件振動特性和電機本身輻射特性，降低電機電磁噪聲主要從這三方面考慮[8-11].根據(jù)選定的泵站同步電動機制造設計技術參數(shù)，利用ANSYS有限元軟件進行電機機構振動特性、電磁過程數(shù)值仿真，模擬電磁噪聲產(chǎn)生過程并計算出電磁力波幅值，驗證電動機制造設計預估的噪聲值符合指標.

2.1 定子鐵心(有繞組)模態(tài)的仿真計算

定子鐵心的網(wǎng)格(見圖1)，圖中沒有考慮定子繞組.定子鐵芯模態(tài)計算時考慮繞組帶來的影響，鐵芯自由振動時模態(tài)的計算結果(見圖2)，徑向電磁力諧波計算出0階和8階，下面僅給出0階和8階的模態(tài).

圖1 定子鐵芯網(wǎng)格圖

圖2 定子鐵芯模態(tài)振型圖

2.2 磁通密度及其諧波的仿真分析

旋轉磁場諧波理論廣泛地應用于電機磁場分析，可將時空變化的氣隙徑向磁通密度利用無窮多個正轉或者反轉的徑向磁通密度波來線性疊加.利用場路耦合時步有限元數(shù)學模型可計算出每一個時刻的節(jié)點矢量磁位，由氣隙中節(jié)點矢量磁位可求出氣隙磁通密度.

(1)

式中:m，n—對應空間諧波和時間諧波的次數(shù)，均為整數(shù)，m的絕對值表示諧波的極對數(shù)，m為正整數(shù)時表示正轉波，m為負整數(shù)時表示反轉波；

θ—空間圓周方向上的機械角度，(°)；

t—時間，s；Br,mn—幅值，T；

ωB,n—時間角頻率，rad，ωB,n=2πfB,n；

θr,mn—初始角度，(°)；fB,n—頻率，Hz；

r—徑向分量.

同步電動機空載穩(wěn)態(tài)運行時，通過軟件計算得到切向磁通密度空間分布結果(見圖3).徑向磁通密度空間分布結果(見圖4)，從分析可以得出電磁力必會引起定子振動而產(chǎn)生電磁噪聲，在磁通密度大的地方電磁力也大，且以徑向為主，產(chǎn)生的噪聲也相應增大.同步電動機負載運行時磁通密度波的計算方法類似，不再贅述.

圖3 切向磁通密度空間分布圖

2.3 磁力密度及其諧波的仿真分析

基于Maxwell應力張量理論，用等效磁張力方法(面積力)代替體積力方法求出單位面積上的電磁力，它的徑向分量公式為：

(2)

式中:σr—徑向電磁力，Pa；

Bt—周向磁通密度,T；

Br—徑向磁通密度,T；

μ0—面積，m2.

同磁通密度波一樣，徑向電磁力波也為行波，因此旋轉諧波理論亦適用于電磁力波的分析，可將時空變化的徑向電磁力分解為無窮多個正轉或者反轉的徑向電磁力波，徑向電磁力為這些力波的線性疊加，即

(3)

式中:m，n—對應空間諧波和時間諧波的次數(shù)，均為整數(shù)，m的絕對值表示空間階次，m為正時表示正轉波，為負時表示反轉波；

θ—空間圓周方向上的機械角度,(°)；

t—時間，s；θr,mn—初始角度,(°)；

σr,mn—幅值，Pa；r—徑向分量；

ωσ,n—時間角頻率，rad，ωσ,n=2πfσ,n，fσ,n—頻率，Hz.

同步電動機空載穩(wěn)態(tài)運行時，通過軟件計算得到切向電磁力密空間分布結果(見圖5)，徑向電磁力密空間分布結果(見圖6).從分析可以得出磁通密度與電磁力之間存在的對應關系，磁力大的地方的力波相應增大.軟件計算得出的主要切向電磁力諧波(見表3)，徑向電磁力諧波(見表4)，表3和表4中電磁力諧波按幅值大小排序列出，轉向列中，正號表示正轉波，負號表示反轉波，P為極對數(shù)，Q為定子槽數(shù).通過分析看出低階次電磁力波幅值均在300 Pa以下，電磁力波幅值很小，不會產(chǎn)生明顯的電磁噪聲,T3300-8/1730型同步電動機電磁噪聲能滿足預設控制指標.

圖5 切向磁力密度空間分布圖

圖6 徑向磁力密度空間分布圖

序號極對數(shù)頻率/Hz幅值/Pa相角/rad轉向181004248-2．17576+28200219-1．92529-3816001933．12446+4015001650581400881．96145-6030082-3．1415978400600．68422+

表4 主要的徑向電磁力密諧波

2.4 采用場路耦合時步有限元對該同步電動機進行空載運行仿真計算

初始設定轉子轉速為740 r/min，勵磁繞組支路中串入2 Ω的起動電阻，且此時不施加直流電壓，在0.1 s去掉起動電阻并同時在勵磁繞組中加直流電壓，電壓值控制在29～30 V.仿真過程中采用了變步長計算，在5 s左右轉子遷入同步轉速750 r/min.

轉子轉速(見圖7)，轉子電磁轉矩(見圖8)，定子三相線電流(見圖9)，轉子勵磁電流(見圖10).同步電機空載運行時示波器測試的空載穩(wěn)態(tài)電流、勵磁電流與仿真結果基本一致.

圖7 轉子轉速隨時間的變化圖

圖8 轉子電磁轉矩隨時間的變化

圖9 定子三相線電流

圖10 轉子勵磁電流

3 泵站同步電機負載運行時噪聲測試結果

根據(jù)確定的同步電機設計方案進行工廠制造，電動機在工廠制造過程中嚴格執(zhí)行工藝標準，派駐廠監(jiān)理進行制造過程質量控制，確保設計先進，制造品質一流.經(jīng)過半年工廠制造，在出廠驗收時電動機空載運行噪聲指標比同類型電動機約低5 dB(A)，在泵站機組啟動運行中在同類型泵站的相對應測點位置噪聲值約低6～7 dB(A)[12]，1臺機組運行測試數(shù)據(jù)(見表5).

表5 三堡泵站1#、2#機組同時運行時各監(jiān)測點噪聲聲級 單位：dB(A)

4 結 論

通過對泵站噪聲源的甄別，研究泵站最大噪聲源同步電動機的噪聲治理設計方案，提出同步電動機運行時葉片空氣動力噪聲、機械轉動噪聲設計降噪方案后，重點研究電磁噪聲的治理方案.選定電動機制造設計技術參數(shù)方案后，利用有限元建模數(shù)值仿真計算得出電機機構振動特性以及仿真電磁過程得出的電磁力波引起的振動幅值來預估噪聲幅值特性.實踐證明，這種方法是可行的，可以為其他低噪聲同步電動機的制造設計研發(fā)提供思路，為建設同類型環(huán)境友好型大型泵站工程提供參考和借鑒.

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DesignAnalysisandNoiseCalculationofLow-noiseMotorinLargePumpStation

PAN Zhi-jun1, PENG Wei-lin2, FANG Fang3, HU Jing4

(1. Management Office of Hangzhou Nanpai Project, Hangzhou 310020, China; 2.PowerChinaHuadong Engineering Co., Ltd., Hangzhou 310014, China; 3.Zhejiang Jiangneng Construction Co., Ltd., Hangzhou 310002, China; 4.Information Center of Hangzhou Forestry and Water Conservancy Bureau, Hangzhou 310014, China)

Sanbao Drainage Pump Station of Hangzhou is located in the core area of Qianjiang New Town with strict noise control for pump operation. The comprehensive aspects such as noise sources, transmission routes, receiver protection and other noise control measures should be taken into account. By analyzing the noise reduction measures of the largest noise source motor in pump station operation, the formation mechanism of the motor noise is studied. The numerical simulation of electromagnetic process is carried out by the finite element method (FEM), and the predicted noise value of the motor agrees with the target. Finally, the experimental measurement of motor noise proves the effectiveness of electromagnetic simulation, and the method can be applied in motor manufacturing design.

pump station; electric motor; noise; design

2017-04-12

浙江省水利科技重大專項資助項目(RB1613)

潘志軍(1976-)，男，浙江慈溪人，高級工程師，從事水利工程設計研究和建設管理工作.

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.017

TV734

A

1008-536X(2017)05-0070-06