三相异步电动机的电磁噪音分析和控制
1.引言
Y、Y2系列三相异步电动机应用于各行各业，其负载噪音指标方面与国外产品相比尚有较大差距。特别是2极高速中小型电动机的电磁噪音已超出国际贸易和国内特殊行业的最低要求。产品出口和国内特殊行业的应用受到严重影响。本文定性加简单的量化分析，阐明2极电机电磁噪音超标的原因及解决方案。 2. 噪音分类 异步电动机的噪音分三类：电磁噪音、空气动力噪音和机械噪音。空气动力噪音源于异步电动机的风扇通风噪音。由于空载和负载的转差非常小，从空载到负载通风噪音几近定值。因此，对于空载噪音达标而负载噪音超标的2极高速电机，通风噪音不是电磁噪音超标的主要原因。 机械噪音主要是由轴承噪音引起的。对于工艺成熟的Y、Y2系列电机，从降低机械噪音方面来使电磁噪音达标也是不明智的。 电磁噪音是由于电机气隙中各次谐波磁场引起的交变电磁力引发铁心及其相联的机械构件中的振动和共振。采取更趋合理的方案是完全可以做到的。 3. 电磁噪音产生原因 3.1气隙谐波磁场。 气隙谐波磁场由电机绕组的磁势作用于电机气隙而产生的。因此，分析绕组磁势即可阐明气隙谐波磁场的产生原因及对电磁噪音的影响。 电机学理论表明：电机的单相绕组其磁势是脉振磁势，磁势波形为非正弦波，内含丰富的高次谐波磁势。 单线圈磁势 对于单线圈磁势，其磁势可表示为： 式中： Nc——槽内导体数，即线圈匝数 Ic——导体电流i的有效值 线圈组磁势 对于每极每相槽数q为整数的q个线圈组v次谐波幅值为： Fqv=qFcv ·kqv （2） 其中α1为线圈分布的基波电角度值，kqv称为分布系数，线圈组v次谐波磁势幅值为： Fmqv= 2π 2qIcNcvp·kwv （4） 式中：kwv=kyv·kqv 是v次谐波的绕组系数。 相绕组磁势 相绕组磁势可由线圈组的v次谐波磁势按其空间位移和电流方向用矢量法相加而得到。 Fφ（t，α）= 2π 2Iwp [kw1cosα+ 13 （Kw3cos3α）+ 15 （Kw5cos5α）+…+ 1v （Kwvcosvα）]sinwt （5） 式中： w =电流角频率，即基波磁场角频率。 Kyv=0 至于双层绕组磁势也不含偶次谐波。 对于正常接法的整数槽绕组，相绕组磁势幅值为： Fmφv= 2π 2Iwvp Kwv （6） 上式表明：相绕组磁势幅值与绕组系数成正比，采用短距（y1<τ）和分布绕组（q>1）可有效削弱绕组中的高次谐波，这早已为Y系列电机所采用。 F3k（t，α）=Fφ3kCOS3kα〔sinωt+sin（ωt—2π/3）+sin（ωt—4π/3）〕=0 （7） 上式表明，三相绕组中不含3倍次谐波，只含有5，7，11，……等次数 的高次谐波。上述齿谐波，因kων=kω1，因此不能用短距分布绕组等办法加以大幅 度削弱，故其幅值较大，是电磁噪音的主要来源。 3.2电磁力波。 气隙磁场波作用于定、转子铁心，产生交变的作用力，即电磁力波。作用在定子铁心齿上的径向力波是定子铁心振动变形的主要原因，也即是电磁噪音的主要来源。 应用麦克斯韦定律，并忽略次数为2ν和2μ的高次谐波项后，磁势谐波磁场产生的径向力波为： Pνμ=BvBu 2μ0COS〔（μ±ν）α—（ωμ±ω1）t—（φu±φv）〕 （8） 式中：γ=μ+γ 称为此力波的次数 Wγ=Wμ±w1 为力波角频率。 Φr=Φμ+Φγ为力波相位角 Bγ，Bμ分别为γ次和μ次气隙磁密幅值 定子铁心振动时，其动态变形的大小约与力波次数的4次方成反比，因此，γ=2的力波是振动噪音的主要成分，应充分考虑γ=2的力波因素。 3.3负载噪音实例分析。 Z1=30，Z2=26，p=1，SN=1—nN/n0=1—2930/3000=0.0233 （9） ν=6K1`+p= 6K1`+1 K1`=±1，±2，±3…… 力波频率：μ、ν 同号时，γ=μ—ν fr=f1[kzZz（1—sn）/p] （下转第17页）http://www.LwlM.com 在r=±2次力波有三对μ和γ的组合： fr=f1[k2*Z2*（1—Sn）/p]=50×（—1） ×26×（1—0.0233）/1=1269.71（Hz） （10） fr=1269.71（Hz） 同a. fr=f1[k2*Z2*（1—Sn）/p+2]=50×（—1） ×26×（1—0.0233）/1+2=1369.61（Hz） （11） 把a，b，c三组力波频率和频谱分析图表进行比较，就会得出如下结论： 若改变槽配合为Z1=30，Z2=18时，出现r=±2低次力波有两对μ和γ的组合，经计算fr相等。 由上述知：Z1=30，Z2=18时，力波频率与固有频率相距较大，引发共振的可能性减小。从共振看，Z1=30， Z2=18优于Z1=30， Z2=26。 4. 负载噪音控制措施 从规避固有频率防止共振着手，修改槽配合。在出口电机MG160—2设计中，采用修改后的槽配合，效果显著。 5. 结语 选择合适槽配合，可以降低异步电动机的电磁噪音，减少电机对周围环境的影响，具有很好的社会效益。