鋁殼電動機電磁噪聲的控制

雷奶華¹，陳筱鐵²，雷孫栓¹，溫韻光¹

(1寧德出入境檢驗檢疫局，福建福安3550l7；2福建出入境檢驗檢疫局，福建福州355000)

摘要：從研究鋁殼電動機的結構特點出發，從轉子徑向電磁力、共振和定子變形三方面分析了電磁噪聲產生的原因，采用降低氣隙碰密、加均壓線、改進工藝等措施治理鋁殼電動機電磁噪聲，經生產實踐證明有效降低了噪聲，提高了鋁殼電動機的制造質量。

    關鍵詞：鋁殼電動機；電磁噪聲；控制

    中圖分類號：TM306  文獻標識碼：A  文章編號：1004一7018(2010)04—0070—03

0引  言

    鋁殼電動機就是用壓鑄鋁的外殼替換傳統的鑄鐵外殼的電動機。鋁殼電動機具有外形美觀、體積小、重量輕、結構簡單、維修方便、生產過程比較環保、生產效率高、運輸方便等優點，深受廣大用戶的歡迎。電動機的噪聲是涉及環保和衛生的項目，歐盟、美國等發達國家均對其要求越來越高^[1]。

1鋁殼電動機結構特點

  拆開一臺鋁殼電動機，如圖l所示，可以看到前后端蓋、鋁外殼輕而薄，工藝較為細致。鋁殼電動機的三個特點較為突出：一是鋁殼電動機外圖1鋁殼電動機拆解圖   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，機殼、端蓋的同心度差；三是鋁殼不導磁，電動機軛部磁路相對比鐵殼電動機飽和，電磁力波相對較大等。這些特點造成鋁殼電動機的噪聲較大，給生產和制造高質量的產品加大了工藝難度，使得鋁殼電動機的噪聲一般僅達二級噪聲標準，與歐盟電動機噪聲標準相比平均差距4～5 dB．

2鋁殼電動機電磁噪聲產生原因分析

    根據電機噪聲產生的不同方式，大致可分為電磁噪聲、機械噪聲、空氣動力噪聲三大類。由于電機的定子及轉子繞組流過交流電流，產生周期性變化的交變磁場，因而產生了電磁交變力，這個力經過電機的機殼或軸系的振動和傳遞，使周圍空氣隨之作周期性的振動，從而產生了電磁噪聲。

2.1轉子徑向電磁力的作用

    轉子隨時間及空間變化著的磁拉力是產生電磁噪聲的最重要原因。電機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]。氣隙空間磁場是一個旋轉力波，切向電磁力在一定程度上推動了轉子，它的徑向力使轉子發生徑向變形和周期性振動。分析鋁殼電動機的徑向磁力，根據傅里葉級數諧波分析原理有：

式中：P表示電磁徑向力的幅值。p以角速度ω旋轉，在某一點的電磁力隨時間周期性變化。鋁殼電動機的機殼相對較薄，延展性較好，因此徑向力的幅值P相對較大，這也是鋁殼電動機噪聲比鑄鐵殼電機噪聲大的根本原因2.2共振根據電磁力波理論，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，當力波頻率與模態頻率相同，當徑向力波的頻率與鐵心的某個固有頻率接近或相等時，就會引起“共振”[2]。在力極對數與模態振型階數相等的情況下，在每個振型半波中，受力情況和振動位移情況都是一樣的，電機的二維電磁振動便可簡化為一個力作用下有適當阻尼質量的振動，機械振動學中控制一維振動的理論便適用了。電機外殼即鋁殼的彈性好，相當于增加了尼系數，使機殼的固有頻率下降，在低頻下更加容易產生“共振”，增大了噪聲。同時，定轉子槽都是開口的，氣隙磁導在旋轉時也是在變化和波動的。氣隙磁場中出現了很多由于槽開口引進的諧波，在這種情況下，即使徑向力的波幅不大，也會導致周期性振動和產生較大噪聲。

2．3定子變形引起空氣振動

    定子變形后引起周圍空氣振動，從而產生噪聲。這時，定子相當于一個聲輻射器。當鐵心飽和時，將會使磁場正弦分布的頂部變得平坦，在磁場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子鐵心上，使它們產生徑向變形，在一般情況下，對二次諧波來說，電機轉子剛度相對較強，定子鐵心的徑向變形是主要的，可以產生較大的噪聲。基波分量對定子的作用和二次諧波對定子的作用如圖2所示。   

鋁殼電動機由于機殼壓迫力小，定子的形變相對增大，兇此定子形變引起的噪聲相對較大。

3鋁殼電動機電磁噪聲控制

    要降低電磁噪聲，應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內，對兩極電機，還要采取一定措施，減少低頻率的噪聲，在設訓低噪聲鋁殼電動機時，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及噪聲。降低氣隙磁密主要有兩種方法：使用導磁性好的沖片和增加氣隙[1]。噪聲與電機氣隙磁密初始值的飽和程度關系非常大。磁密的飽和程度與所用電工材料有關。設計者在對電機噪聲提出苛刻要求的同時，盡可能選取低的氣隙磁密，同時軛部磁密、齒部磁密也不能過高，否則會起到反作用。降低氣隙磁密的另外一個方法就是增大氣隙，這在鋁殼電動機中經常使用[2]。適當地加大氣隙可以減小諧波的幅值，減小氣隙的不均勻度，并能使徑向力波的幅值降低[3]。氣隙不均勻度對低轉速的鋁殼電動機影響較大，所以，應盡量提高定子的結構剛性和加工精度。  

3.2加均壓線  

    增加均壓線是鋁殼電動機降噪的一個重要措施。對于每相并聯支路數超過1支的電機，從理論上來講各支路感應電勢是嚴格相等的，即結構嚴格對稱，電磁也嚴格對稱，支路間不可能產生環流。但實際情況下，由于工藝、裝配等因素影響會造成電磁方面的不平衡、不對稱，從而導致支路間產生環流。因此有必要將定子繞組中理論上的等電位點用導線連接起來強迫其等電位，讓環流無法產生。連接等電位點的導線就叫均壓線。加上均壓線后，鋁殼電動機噪聲指標將會降低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選擇轉子斜槽距離  

    要避免低階徑向力波，理論分析和實驗研究都；證明，低階力波特別一階和二階對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系。鋁殼電動機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生的脈振損耗和斜槽籠型轉子導條的橫向電流損耗，但少槽一近槽配合易產生電磁振動和噪聲[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機的工作特性、起動性能外，同樣也使噪聲值在一個較大范圍波動。采用定子斜槽或轉子斜槽，會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，乃至振動和噪聲級，都將因采用斜槽而降低。實際上，斜槽對小型的鋁殼電動機很有利，大型電機一般不采用斜槽，因為它會在轉子鼠籠導條之問引起跨越電流，并造成扭轉振動，從而增大噪聲。對于小型交流電機，這種扭動的固有頻率一般高于10 kHz，因而這種扭轉振動對電機所發出噪聲的影響可以忽略。由于采用轉子斜槽而使噪聲級減小，可表示為：

式中：L1為沒有轉子斜槽時的聲級；L2為有轉子斜槽時的聲級；r為促成有關力波的轉子磁動勢波的極對數；α為以弧度表示的轉子斜槽的幾何偏斜角度[5]。

3.4降低電機表面的動態振動

    力波頻率與模態頻率相差較大時能降低電磁噪聲的原理，使電機結構固有頻率與主要的激發力頻率失諧。為此必須確定定子結構、轉子系統和末端防護罩的固有頻度，并將這些固有頻率同主要激發力成分的頻率相比較，對于用固體組件變頻供電的交流變速電機，避免發生共振極為困難，因為其主要激發力的頻率隨可變頻率的基波將在很寬的頻率范圍內變化。增大定子鐵心厚度，以便增強其剛度，因為定子的振幅近似與定子鐵心厚度的立方成反比，而發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，則聲功率級的減少值近似為

鐵心厚度增大50％，則與此相對應，聲功率級將減少大約10．5 dB。盡管這種方法對于減少磁噪聲是有效的，然而將大大增加電機的重量并使成本提高，還應調整定子裝置的固有頻率以確保不使較厚的鐵心產生共振[6]有時，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了定子結構的剛度，從而減少了發出的噪聲。

3.5改進工藝

    降低電磁噪聲還需要從改進工藝著手，常用的有以下方法：

    (1)采用定子壓鑄后再車機殼兩端外圓的工藝；

    (2)車前后端蓋止口時采用合理的工裝，使其在加工時不容易變形，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)由于鋁殼電動機較輕，電機底腳的不平衡會使振動加大從而影響噪聲。在電機生產時，應盡量使電機的底腳平穩，在裝配時應磨去底腳的毛刺；

    (5)定子壓鑄時盡可能采用熱套的工藝，用感應加熱器使機殼受熱膨脹，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生的機殼變形和裝配偏心。

4 實例

    在某工廠車間隨機抽取一臺鋁殼電動機樣機MS803—6，輸出功率為O．75 kw，設計電壓為380v，冷卻方式Ic01。依據國家標準GBl0069．3—2006《旋轉電機噪聲測定方法及限值第1部分：旋轉電機噪聲測定方法》，對治理前三次測得該鋁殼一電動機，取中間大小的；檢測結果噪聲為68．6dB，其噪聲檢測頻率分布圖如圖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，我們也三次測量并取中間大小的檢測結果，得到電機噪聲為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治理后噪聲測試圖的噪聲在治理前后相當，而小于20 Hz的低頻率噪聲則比治理前偏高，因此在對低頻率噪聲要求嚴格的場合，不能使用該方法對鋁殼電動機進行控制。

5結語

    鋁殼電動機的結構特點使其電磁噪聲相對較大。通過有針對性地進行設計上的改進，采取適當的生產工藝進行治理，試驗證明，著重選擇轉子斜槽距離、加均壓線和控制同心度工藝等能有效地降低和控制電機噪聲污染，從而提高電機的品

質。