槽配合对异步电机电磁噪声的影响分析

贺玉民， 史建萍， 崔 伟， 赵东芝， 吴若欣

(湘潭电机股份有限公司,湖南 湘潭 411101)

0 引 言

电磁噪声主要是由电磁力作用引起电机机械结构的振动并由空气传播引起。电机定子有其固有的振动模态，当电机气隙中电磁力波的空间阶次与定子模态的空间阶次相同，且电磁力波频率与定子模态固有频率相近时，会引起电机定子共振[1-3]，进而使电机产生巨大的电磁噪声，甚至不能正常运行。对于极数多、转速低的电机，电磁噪声往往很突出，电磁噪声的研究变得非常重要。本文从理论上分析了槽配合对电磁力波及电磁噪声的影响，结合模态分析了电机的电磁噪声问题，并针对型号Y630-12 800kW 10kV电机进行计算分析，根据不同的槽配合制造了不同的转子以验证理论的正确性。

1 电磁力波

异步电机电磁噪声由随时间和空间变化并在电机各部分之间的作用力引起。这些力是定、转子之间随时间和空间变化的径向磁拉力。根据麦克斯韦定律，在气隙中的任意一点作用着一个径向力，该径向力在定子铁心内表面单位面积上正比于磁通密度的平方[4]，可表示为

(1)

式中：pr(θ,t)——径向电磁力波；

Br(θ,t)——径向磁通密度；

μ0——空气磁导率，μ0=4π×10-7。

径向磁通密度的详细推导过程可参考文献[4-5]，其主要由于定、转子开槽引起的定、转子齿谐波相互作用产生，其各参数如表1所示。表1中：P为电机极对数；f为电源频率(基波频率)；kst、krt分别为定、转子齿谐波的阶数，均取±1，±2，±3，…；S为转差率；Z1、Z2分别为定、转子槽数。

表1 主要径向磁通密度波

由定、转子齿谐波相互作用产生电磁力波是电磁噪声产生的重要原因，按式(1)，可推导出在定子铁心内圆随时间、空间变化的电磁力波的空间阶次及频率，其空间阶次及频率如表2所示。

表2 主要径向电磁力波的空间阶次及频率

由表2可知，在电机极数一定时，电磁力波的空间阶次和频率与定、转子槽数有关。

2 定子铁心模态

电机定子铁心在实际制造中很复杂。铁心由硅钢片叠压在一起，用径向通风槽板分成很多段，铁心圆周用几根肋焊接加固，两端用压圈紧固，定子铁心内圆槽内放置线圈等。传统解析方法计算模态是通过结构简化，把很多连接的部分看成一体，实际上该简化已远离实际情况，计算结果不是很精确。本文基于Ansys机械分析模块，模拟实际定子铁心结构连接方式，考虑叠压系数及槽中各种材料(如槽中包含的铜导线、绝缘材料和浸漆等)的前提条件下，分析计算了铁心和绕组的等效材料参数(包括各方向的弹性模量、剪切模量及泊松比)[5-6]，以计算出与定子铁心实际相符合的模态振型。模态振型如图1所示。

图1 模态振型

3 电磁力波发生共振条件

当电磁力波空间阶次与定子铁心模态阶次相同,且频率相近时会引起共振；共振大小与电磁力波幅值及阶次有很大关系，且电磁力波引起的机械振动振幅几乎与力波阶次的4次方成反比[7-8]，故若要避免大的共振只有避开低阶次力波的共振。此外，力波幅值很大且阶次较高的力波引起的共振也会引起大的振动。

电磁力波引起电机共振，可通过合理选择槽配合来解决。本文通过对型号Y630-12 800kW 10kV电机进行计算分析，详细说明槽配合对电机噪声的影响。

4 实例分析与验证

对型号Y630-12 800kW 10kV电机槽配合做了两种方案： (1) 定子90槽，转子72槽；(2) 定 子90槽，转子112槽。并对两种槽配合分别做了一台转子以验证理论分析的正确性。

4.1 电磁力波及定子模态计算

4.1.1 主要径向电磁力波计算

两种主要径向电磁力波的计算结果分别如表3、表4所示。

表3 主要径向电磁力波(定子90槽，转子72槽)

表4 主要径向电磁力波(定子90槽，转子112槽)

4.1.2 定子铁心模态计算

定子铁心自由振动模态可提取很多振型图，本文仅根据理论有目的选取符合共振条件的振型图。6阶723Hz、6阶803Hz、4阶827Hz的计算结果分别如图2～图4所示。

图2 6阶723Hz

图3 6阶803Hz

图4 4阶827Hz

4.1.3 力波结合模态分析

(1) 对于定子90槽、转子72槽，由表3结合图2、图3可知，在空间阶次6阶且频率700、800Hz 状况下会发生共振，尤其是700Hz附近共振更强烈，由于在700Hz时引起共振的力波幅值很高，说明该槽配合不合适，电机用此槽配合很危险。

(2) 对于定子90槽、转子112槽，由表4结合图4可看出，在空间阶次4次、频率827Hz附近也存在共振点，但频率相差较远且力波幅值很小，故该槽配合是较为理想的。

4.2 试验验证

为验证理论的正确性，针对所分析的两种槽配合，分别做了转子进行试验。试验所用仪器为NA-28S噪声频谱分析仪，试验结果分别如图5、图6所示(声压级)。

图5 噪声频谱图(槽配合90/72)

图6 噪声频谱图(槽配合90/112)

该电机为敞开式，无外通风，故可排除外通风噪声的频率段，在轴承摩擦不突出的情况下实测噪声可反映电磁噪声情况。由图5可知频率在630～800Hz段噪声很突出，甚至在1.25kHz时噪声也很高；换转子112槽后，由图6可知，上述频率段的噪声大大降低，电机整体噪声也随之下降，这充分验证了理论分析的正确性。

在同型号规格的立式电机上也用了此槽配合转子。试验结果噪声声压级71dB，较原约89dB的噪声降低，这进一步说明了该型号电机槽配合90/112的合理性。

本文通过理论分析和试验验证，证明了槽配合对电机电磁噪声有很重要的影响，改变槽配合对处理电磁噪声是很有效的方法。

【参考文献】

[1] 崔伟，史建萍，吴若欣，等.降低电机通风噪声的一种可行方案[J].电机与控制应用，2013(11)： 55-57.

[2] 舒波夫.电机的噪声和振动[M].北京： 机械工业出版社，1982.

[3] 王荀，邱阿瑞.降低大中型异步电动机电磁噪声的槽配合选取方法[J].大电机技术，2011(2)： 11-15.

[4] HELLER B，HAMATA V.异步电机中谐波磁场的作用[M].北京： 机械工业出版社，1980.

[5] 陈永校，诸自强，应善成，等.电机噪声的分析和控制[M].杭州： 浙江大学出版社，1987.

[6] 王荀，邱阿瑞.大中型异步电动机定子模态的仿真分析[J].大电机技术，2011(1)： 7-10.

[7] WANG C, LAI J C S. Vibration analysis of an induction motor[J]. Journal of Sound and Vibration,1999, 224(4): 733-756.

[8] ISHIBASHI F, MATSUSHITA M, NODA S, et al. Change of mechanical natural frequencies of induction motor[J]. IEEE Trans on Industry Applications,2010, 46(3): 922-927.