大型泵站低噪声电动机设计分析及噪声测算

潘志军，彭伟林，方 芳，胡 晶

(1.杭州市南排工程建设管理处，浙江 杭州 310020；2.中国电建集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014； 3.浙江江能建设有限公司，浙江 杭州 310002；4.杭州市林业水利局信息中心，浙江 杭州 310014)

大型泵站低噪声电动机设计分析及噪声测算

潘志军1，彭伟林2，方 芳3，胡 晶4

(1.杭州市南排工程建设管理处，浙江 杭州 310020；2.中国电建集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014； 3.浙江江能建设有限公司，浙江 杭州 310002；4.杭州市林业水利局信息中心，浙江 杭州 310014)

杭州三堡排涝泵站因地处钱江新城核心区域，对泵站排水运行时的噪声提出了严格的控制指标.通过综合考虑噪声源、传播途径、接受者防护等因素，并对泵站运行时最大噪声源电动机的降噪措施分析，从电动机噪声形成机理着手，利用计算机有限元建模对电磁过程进行数值仿真计算，验证电动机制造设计预估噪声值符合控制指标.经电动机噪声实测值证明，电磁过程仿真计算有效、准确，可在电机制造设计中应用.

泵站；电动机；噪声；设计

泵站建设在城市核心区，泵站运行时噪声必须控制在批准噪声指标以下.目前国内已建成的水泵机组斜轴布置的大型泵站中,治理噪声可借鉴的经验较少，泵站前期建设阶段从噪声源和噪声传播途径两个方面提出并优化噪声控制的针对性综合措施[1-2]，控制噪声源方法是降低噪声的最有效、高性价比的方法[3-4].经过对浙江省同类型的盐官泵站运行噪声现场测试，甄别噪声源头，研究设计降低大型同步电动机运行噪声的方案，最大限度地降低泵站运行噪声对周围环境的影响.

杭州三堡排涝泵站主厂房内主机层和装配场相连，长69.44 m，总体宽度为51.5 m.设计水泵4台，总排涝流量200 m3/s，规模位列全国大型泵站前列.选配T3300-8/1730型同步电动机，额定转速750 r/min，电动机功率3 300 kW.水泵为3560ZXQ50-4.05型轴流泵，额定转速115.4 r/min，斜30°安装，两级圆柱齿轮箱减速器高速轴与同步电机相连，低速轴与水泵相连.泵站内4台机组斜式一字布置，机组运行时噪声叠加，情况复杂，多台水泵同时运行会产生严重的噪声，对周边环境产生噪声污染.

1 电动机噪声控制指标和降噪设计分析

前期同类型泵站两台机组同时运行噪声经过实测表明厂房内电动机最大声源强度超过90 dB(A)，推算4台水泵同时运行噪声增幅为2～5 dB(A)[5].监测结果反映出该泵站噪声已大于泵站设计规范与相关标准的要求，且电动机边测得噪声最大，实验测试数据(见表1).泵站建设环评批复中要求执行《声环境质量标准》(GB3096—2008)[6]，运行期执行标准(见表2).同步电动机运行时噪声主要为机械转动噪声、空气动力噪声和定子电磁噪声等，互相影响且叠加.同步电机运行时空气动力噪声限制采取优化定子内部风路结构设计、定子冷却由风冷改为空水冷冷却方式、定子内壁增加吸声材料设计方法降低噪声.机械转动噪声限制采用低磨损的高性能滚珠轴承和降低电机转速方案.降低转速设计由初选转子6极同步电机改为转子8极同步电机，转速则由1 000 r/min降低到750 r/min，转子8极同步电机空载运行时与同容量转子6极同步电机相比，经相关资料和规范查得，运行时噪声可以降低2～3 dB(A)[7].在上述两方面降噪措施设计基础上，重点研究电磁噪声的治理方案，经综合比选，确定泵站同步电动机型号T3300-8/1730和制造设计关键技术参数.电动机额定电压10 kV，频率50 Hz,额定转速750 r/min.定子3相绕组，Y型接法，定子槽数120，双层绕组，并联支路数为4.铁芯长度为860 mm，气隙长度为12 mm，定子外径为1 500 mm，定子内径为1 120 mm，转子4对极对数，转子外径为1 096 mm.低噪声同步电机研究设计方案力争把电机空载运行噪声控制在85 dB(A)，比规范规定噪声值约低3 dB(A).

表1 同类型泵站3#、4#两台机组同时运行时各监测点噪声声级 单位：dB(A)

表2泵站运行期厂界噪声执行标准

单位：dB(A)

2 泵站同步电机电磁过程仿真分析

电动机电磁噪声主要是电机通电后电磁场产生的电磁力引起电机结构部件的振动，从而使电机定子内空气粒子形成疏密声波，其大小取决于电磁力大小、电机结构件振动特性和电机本身辐射特性，降低电机电磁噪声主要从这三方面考虑[8-11].根据选定的泵站同步电动机制造设计技术参数，利用ANSYS有限元软件进行电机机构振动特性、电磁过程数值仿真，模拟电磁噪声产生过程并计算出电磁力波幅值，验证电动机制造设计预估的噪声值符合指标.

2.1 定子铁心(有绕组)模态的仿真计算

定子铁心的网格(见图1)，图中没有考虑定子绕组.定子铁芯模态计算时考虑绕组带来的影响，铁芯自由振动时模态的计算结果(见图2)，径向电磁力谐波计算出0阶和8阶，下面仅给出0阶和8阶的模态.

图1 定子铁芯网格图

图2 定子铁芯模态振型图

2.2 磁通密度及其谐波的仿真分析

旋转磁场谐波理论广泛地应用于电机磁场分析，可将时空变化的气隙径向磁通密度利用无穷多个正转或者反转的径向磁通密度波来线性叠加.利用场路耦合时步有限元数学模型可计算出每一个时刻的节点矢量磁位，由气隙中节点矢量磁位可求出气隙磁通密度.

(1)

式中:m，n—对应空间谐波和时间谐波的次数，均为整数，m的绝对值表示谐波的极对数，m为正整数时表示正转波，m为负整数时表示反转波；

θ—空间圆周方向上的机械角度，(°)；

t—时间，s；Br,mn—幅值，T；

ωB,n—时间角频率，rad，ωB,n=2πfB,n；

θr,mn—初始角度，(°)；fB,n—频率，Hz；

r—径向分量.

同步电动机空载稳态运行时，通过软件计算得到切向磁通密度空间分布结果(见图3).径向磁通密度空间分布结果(见图4)，从分析可以得出电磁力必会引起定子振动而产生电磁噪声，在磁通密度大的地方电磁力也大，且以径向为主，产生的噪声也相应增大.同步电动机负载运行时磁通密度波的计算方法类似，不再赘述.

图3 切向磁通密度空间分布图

2.3 磁力密度及其谐波的仿真分析

基于Maxwell应力张量理论，用等效磁张力方法(面积力)代替体积力方法求出单位面积上的电磁力，它的径向分量公式为：

(2)

式中:σr—径向电磁力，Pa；

Bt—周向磁通密度,T；

Br—径向磁通密度,T；

μ0—面积，m2.

同磁通密度波一样，径向电磁力波也为行波，因此旋转谐波理论亦适用于电磁力波的分析，可将时空变化的径向电磁力分解为无穷多个正转或者反转的径向电磁力波，径向电磁力为这些力波的线性叠加，即

(3)

式中:m，n—对应空间谐波和时间谐波的次数，均为整数，m的绝对值表示空间阶次，m为正时表示正转波，为负时表示反转波；

θ—空间圆周方向上的机械角度,(°)；

t—时间，s；θr,mn—初始角度,(°)；

σr,mn—幅值，Pa；r—径向分量；

ωσ,n—时间角频率，rad，ωσ,n=2πfσ,n，fσ,n—频率，Hz.

同步电动机空载稳态运行时，通过软件计算得到切向电磁力密空间分布结果(见图5)，径向电磁力密空间分布结果(见图6).从分析可以得出磁通密度与电磁力之间存在的对应关系，磁力大的地方的力波相应增大.软件计算得出的主要切向电磁力谐波(见表3)，径向电磁力谐波(见表4)，表3和表4中电磁力谐波按幅值大小排序列出，转向列中，正号表示正转波，负号表示反转波，P为极对数，Q为定子槽数.通过分析看出低阶次电磁力波幅值均在300 Pa以下，电磁力波幅值很小，不会产生明显的电磁噪声,T3300-8/1730型同步电动机电磁噪声能满足预设控制指标.

图5 切向磁力密度空间分布图

图6 径向磁力密度空间分布图

序号极对数频率/Hz幅值/Pa相角/rad转向181004248-2．17576+28200219-1．92529-3816001933．12446+4015001650581400881．96145-6030082-3．1415978400600．68422+

表4 主要的径向电磁力密谐波

2.4 采用场路耦合时步有限元对该同步电动机进行空载运行仿真计算

初始设定转子转速为740 r/min，励磁绕组支路中串入2 Ω的起动电阻，且此时不施加直流电压，在0.1 s去掉起动电阻并同时在励磁绕组中加直流电压，电压值控制在29～30 V.仿真过程中采用了变步长计算，在5 s左右转子迁入同步转速750 r/min.

转子转速(见图7)，转子电磁转矩(见图8)，定子三相线电流(见图9)，转子励磁电流(见图10).同步电机空载运行时示波器测试的空载稳态电流、励磁电流与仿真结果基本一致.

图7 转子转速随时间的变化图

图8 转子电磁转矩随时间的变化

图9 定子三相线电流

图10 转子励磁电流

3 泵站同步电机负载运行时噪声测试结果

根据确定的同步电机设计方案进行工厂制造，电动机在工厂制造过程中严格执行工艺标准，派驻厂监理进行制造过程质量控制，确保设计先进，制造品质一流.经过半年工厂制造，在出厂验收时电动机空载运行噪声指标比同类型电动机约低5 dB(A)，在泵站机组启动运行中在同类型泵站的相对应测点位置噪声值约低6～7 dB(A)[12]，1台机组运行测试数据(见表5).

表5 三堡泵站1#、2#机组同时运行时各监测点噪声声级 单位：dB(A)

4 结 论

通过对泵站噪声源的甄别，研究泵站最大噪声源同步电动机的噪声治理设计方案，提出同步电动机运行时叶片空气动力噪声、机械转动噪声设计降噪方案后，重点研究电磁噪声的治理方案.选定电动机制造设计技术参数方案后，利用有限元建模数值仿真计算得出电机机构振动特性以及仿真电磁过程得出的电磁力波引起的振动幅值来预估噪声幅值特性.实践证明，这种方法是可行的，可以为其他低噪声同步电动机的制造设计研发提供思路，为建设同类型环境友好型大型泵站工程提供参考和借鉴.

[1] 董建源，潘志军.杭州三堡排涝泵站噪声控制方案研究[J].浙江水利水电学院学报,2011,23(2)：5-8.

[2] 陈作义，潘卫锋，梁金栋.大型泵站机组振动测试方法[J].排灌机械,2007,25(50)：30-32.

[3] 高红武.噪声控制技术[M].武汉：武汉理工大学出版社,2009.

[4] 周新祥.噪声控制及其新进展[M].北京：冶金工业出版社,2007.

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[6] 中国环境科学研究院.GB3096—2008声环境质量标准[S].北京：中国环境科学出版社，2008.

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[8] 王 荀，邱阿瑞.鼠笼异步电动机电磁噪声的仿真分析[J].微电机,2011,44(7)：15-19.

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[12] 王丰平，仇 涛.杭州三堡排涝工程机组启动验收测试报告[R].杭州：浙江省河口研究院,2015.

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专项资助项目(RB1613)

潘志军(1976-)，男，浙江慈溪人，高级工程师，从事水利工程设计研究和建设管理工作.

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.017

TV734

A

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