降低異步電動機(jī)通風(fēng)噪聲的方法研究

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(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

電機(jī)噪聲中通風(fēng)噪聲是噪聲源的主要構(gòu)成之一，而通風(fēng)噪聲又主要由風(fēng)扇噪聲所引起，它屬于空氣動力噪聲。影響通風(fēng)噪聲的因素很多，如風(fēng)扇結(jié)構(gòu)型式、風(fēng)扇的寬徑比、風(fēng)葉間距、葉片數(shù)、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、通風(fēng)道結(jié)構(gòu)及通風(fēng)效率等。本文主要研究抑制聲源的方法以及消除聲音傳播途徑的方法。

1 從抑制聲源方面降低通風(fēng)噪聲措施

降低電機(jī)通風(fēng)噪聲主要從抑制聲源及消聲兩方面采取措施。抑制聲源從選擇合適的風(fēng)扇類型及尺寸著手。而消聲就要去盡量按空氣動力學(xué)合理地設(shè)計(jì)風(fēng)路。下面結(jié)合理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對這兩方面進(jìn)行詳細(xì)說明。

電機(jī)通風(fēng)噪聲主要是風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生，其中以風(fēng)扇噪聲為主。風(fēng)扇噪聲是風(fēng)葉周速、輸出流量、壓力和效率的函數(shù)，其中周速的影響最大。研究表明，在風(fēng)扇的最高效率范圍內(nèi)，噪聲具有最小值。噪聲功率可以表示為

(1)

式中，k—系數(shù)，與風(fēng)葉型式及風(fēng)阻有關(guān)，表示噪聲功率所占比例；η—風(fēng)葉的空氣動力學(xué)效率；Q—風(fēng)量，m3/s；H—風(fēng)壓，Pa。

在風(fēng)葉幾何形狀相似的風(fēng)機(jī)中，已知一臺風(fēng)機(jī)的噪聲功率LW0,風(fēng)量Q0,風(fēng)壓H0,效率η0，估算另一臺對應(yīng)參數(shù)為Q、H、的風(fēng)機(jī)噪聲LW時，得

(2)

在幾何形狀相似的風(fēng)扇中，風(fēng)量Q和風(fēng)壓H與風(fēng)扇參數(shù)的關(guān)系為

Q∞D(zhuǎn)3nb

(3)

H∞D(zhuǎn)2n2

(4)

W∞D(zhuǎn)7n5b

(5)

相似風(fēng)扇噪聲估算公式

(6)

式中，D、b、n—風(fēng)葉外徑、寬度及轉(zhuǎn)速。

按以上公式計(jì)算可得出下述結(jié)果：風(fēng)扇外徑D減小10%，噪聲降低3dB(A)；轉(zhuǎn)速n減少10%，噪聲降低2dB(A)；寬度b減少10%，噪聲降低0.4dB(A)；效率η從0.3提高到0.4,噪聲可降低1.9dB(A)。由此可見，減小風(fēng)扇直徑對降低噪聲影響最大。

(1)風(fēng)扇外徑優(yōu)化

在設(shè)計(jì)電機(jī)時，為了縮小電機(jī)尺寸和降低電機(jī)重量，為提高材料的利用率，一般增加風(fēng)扇的流量，增大風(fēng)扇的直徑，以降低電機(jī)的溫升，所以減小通風(fēng)噪聲和提高電機(jī)材料的利用率是相互制約的。設(shè)計(jì)時，應(yīng)在保證溫升不超過規(guī)定的限度，并留有適當(dāng)裕度的條件下，合理地選擇風(fēng)扇和通風(fēng)系統(tǒng)中各個部分的結(jié)構(gòu)形式，并盡可能縮小風(fēng)扇直徑。這樣不僅能減小通風(fēng)噪聲，而且還相應(yīng)減少通風(fēng)損耗和提高電機(jī)效率。結(jié)合市場訂貨，縮小外風(fēng)扇風(fēng)葉外徑及寬度，進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，具體對比試驗(yàn)見表1。

通過表1對比發(fā)現(xiàn)，在溫升不超過規(guī)定的限度(80K)，縮小外風(fēng)扇直徑及寬度，能降低電機(jī)噪聲并提高電機(jī)效率。此方案優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約材料、提高電機(jī)效率；缺點(diǎn)：增加電機(jī)溫升。

表1 縮小外風(fēng)扇電機(jī)性能及噪聲對照表

(2)風(fēng)扇葉優(yōu)化

葉片是風(fēng)扇上向流體傳遞能量的唯一零件，是離心式風(fēng)扇的主要部分。根據(jù)葉片出口角不同，離心式風(fēng)扇葉片可分為前傾式葉片、徑向式葉片和后傾式葉片三種。如圖1所示，當(dāng)葉片出口角β2≥90°時，為前傾式；當(dāng)葉片出口角β2=90°時，為徑向式；當(dāng)葉片出口角β2<90°時，為后傾式。

圖1 前傾、徑向、后傾葉片示意圖

根據(jù)葉片形狀不同，可分為圓弧形葉片和平板形葉片兩種。由于形狀不同，離心式風(fēng)扇的性能也不同，使用場合也不一樣，一般大中型電機(jī)上使用的離心式風(fēng)扇主要有圖2中所示的四種型式。

圖2 后傾式不同葉片離心式風(fēng)扇示意圖

圖2(a)為平板形徑向葉片風(fēng)扇，這種風(fēng)扇制造工藝最簡單，而且適于雙向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)氣流進(jìn)入葉片流道時有較大沖擊，流動損失較大，效率低，并會產(chǎn)生較大的噪聲。

圖2(b)為平板形后傾葉片風(fēng)扇，這種風(fēng)扇進(jìn)口氣流損失較小，但流道中流動損失較大，效率也不高。

圖2(c)為圓弧形后傾葉片風(fēng)扇，這種風(fēng)扇流動損失小、效率高，運(yùn)轉(zhuǎn)時噪聲也低，但葉片制造工藝復(fù)雜，成本高。

圖2(d)為圓弧形前傾葉片風(fēng)扇，在相同外徑的情況下，這種風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)壓最高，但損耗大，效率低，常用于風(fēng)阻大，風(fēng)壓要求高的電機(jī)上。

對風(fēng)扇噪聲時，選擇葉片形式的原則為：后傾葉片風(fēng)扇噪聲較低，前傾葉片風(fēng)扇噪聲較高，徑向葉片風(fēng)扇噪聲居中，而圓弧形葉片產(chǎn)生的噪聲要比平直葉片低。在風(fēng)扇葉優(yōu)化時，我們采用后傾式圓弧葉片，見圖2(c)所示。

離心式風(fēng)扇及葉片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。

圖3 離心風(fēng)扇及葉片

后傾式葉片按下列關(guān)系確定

(7)

(8)

選擇葉片進(jìn)口安裝角β1時，主要考慮風(fēng)扇的風(fēng)壓和工作效率。對于后傾式風(fēng)扇，由于葉道內(nèi)流動損失較小，因此β1的選擇應(yīng)使風(fēng)扇葉片進(jìn)口沖擊損失為最小，一般β1=15°～35°。

葉片出口角β2的選擇與風(fēng)扇的性能、尺寸和噪聲等關(guān)系較大，因此選擇β2時要綜合考慮各方面的影響。對于后傾式風(fēng)扇為了獲得較高效率，一般取β2=30°～50°。

以YKK 500-4 1600kW電機(jī)為例，對其外風(fēng)扇風(fēng)葉進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)圓弧形后傾葉片風(fēng)扇，具體如圖4所示，其與平板形后傾葉片風(fēng)扇對比結(jié)果見表2。

圖4 圓弧形后傾葉片風(fēng)扇

表2 圓弧形后傾風(fēng)扇與平板形后傾風(fēng)扇噪聲及性能對比

通過表2分析，外風(fēng)扇設(shè)計(jì)成圓弧形后傾葉片風(fēng)扇，噪聲變小，風(fēng)量變大，電機(jī)溫升降低，效果明顯。

2 從傳播方面降低通風(fēng)噪聲措施

如果從聲源方面還不能控制通風(fēng)噪聲時，就要采用消聲的方法。消音罩是用于氣流通道中，在保證氣流通過的同時，能阻止或減弱聲能傳播使噪聲降低的一種裝置。

消音罩一般分為阻式、抗式和阻抗復(fù)合式三種。一般阻式消音罩用在電機(jī)上，阻式消音罩是在管道內(nèi)用多孔材料覆蓋壁面來消耗聲音的能量。它的消聲性能相似于電路中的電阻消耗電能，這種消音罩對低頻效果較差，而對中頻噪聲有較好的消聲效果。對于電機(jī)的通風(fēng)噪聲，特別笛聲，有很好的降噪效果。

阻式消音罩的消聲量與所用材料的吸聲系數(shù)α，通風(fēng)道的長度l，及通風(fēng)道噪聲吸收壁的周邊長U,通風(fēng)道橫截面積A有關(guān)，可用下式表示

(9)

從式(9)可以看出，消音罩長度越大，橫截面越小、周邊長越大、材料吸聲系數(shù)越大，則它降低噪聲效果越好。

吸聲材料是消音罩重要組成部分，吸聲材料的選擇和填充是消聲體效率的關(guān)鍵。超細(xì)玻璃棉因吸聲系數(shù)大、質(zhì)輕、柔軟、密度小、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，所以目前大多數(shù)消音罩吸聲材料都采用超細(xì)玻璃棉，本次研究中，消音罩吸聲材料也采用超細(xì)玻璃棉。

吸聲材料護(hù)面結(jié)構(gòu)選擇：阻性消音罩是在氣流流動工作的，所以吸聲材料要用牢固的護(hù)面結(jié)構(gòu)固定。

根據(jù)電機(jī)氣流速度我們選擇穿孔率大于20%的穿孔板，不僅能滿足牢固的護(hù)面結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，還能提高消音罩吸聲系數(shù)、特別是降低低頻段噪聲，所以吸聲材料護(hù)面結(jié)構(gòu)選擇了大于20%穿孔板。

如果從聲源方面還不能控制通風(fēng)噪聲時，就要采用消聲的方法。消音罩是用于氣流通道中，在保證氣流通過的同時，能阻止或減弱聲能傳播使噪聲降低的一種裝置。

(1)進(jìn)風(fēng)口加消音罩

方案一：電機(jī)進(jìn)風(fēng)口處加消音罩，如圖5所示。消音罩為罩板側(cè)面進(jìn)風(fēng)，避開測量點(diǎn)，并經(jīng)過導(dǎo)風(fēng)板后，進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。

方案二：在方案一的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加吸聲系數(shù)較高并對高頻有極好的吸聲高頻失效尖劈，如圖5所示。由于增加了高頻失效尖劈，風(fēng)阻減小，風(fēng)路更順暢。

方案三：在方案二的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加吸聲系數(shù)較高并對高頻有極好的吸聲高頻失效尖劈, 如圖5所示。

圖5 進(jìn)風(fēng)口消音罩方案

三種方案噪聲降低對比見表3。

表3 進(jìn)風(fēng)口加消音罩三種方案電機(jī)噪聲降低對比

(2)出風(fēng)口加消音罩

方案一：在YKK方箱電機(jī)冷卻器出風(fēng)口處增加消音罩，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 進(jìn)風(fēng)口消音罩

方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，增加吸聲系數(shù)較高并對高頻有極好的吸聲高頻失效尖劈，即對高頻有較好的消聲，也增加了消聲面積，如圖7所示。

圖7 進(jìn)風(fēng)口消音罩優(yōu)化

此兩種結(jié)構(gòu)出風(fēng)消音罩，分別在YKK 500-4 1600kW、YKK 355-4 450kW電機(jī)做試驗(yàn)，具體見表4。降低效果也不是特別明顯。

表4 出風(fēng)口加消音罩兩種方案電機(jī)噪聲降低對比

3 結(jié)語

降低異步電動機(jī)通風(fēng)噪聲可從抑制聲源和改善通風(fēng)路徑兩個方面入手。實(shí)踐證明：

(1)從抑制聲源考慮，軸流式風(fēng)扇優(yōu)于離心式風(fēng)扇，離心式風(fēng)扇中又以后傾式為好。在滿足溫升的要求下，減小風(fēng)扇直徑和風(fēng)扇葉寬度降低噪聲的效果顯著。

(2)改善通風(fēng)路徑可按空氣動力學(xué)原理合理地設(shè)計(jì)風(fēng)路。電機(jī)的進(jìn)、出風(fēng)口、風(fēng)罩、擋風(fēng)板、散熱片以及風(fēng)扇的葉片形狀等都要按空氣動力學(xué)原理設(shè)計(jì)。障礙物表面盡量設(shè)計(jì)成流線型，減少風(fēng)阻。在電機(jī)進(jìn)風(fēng)口或出風(fēng)口增加消音罩的方法降低噪聲有一定效果。