大中型同步电动机的噪声分析及抑制探讨

胥睿

（东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳 618000）

在机电系统中，电动机是不容忽视的重要设备。以今年电动机的应用状况看，永磁电动机具有结构简单、运行稳定，并且功率密度大、功率因数高等诸多优点，因此在航空航天、国防、工农业生产领域，甚至日常生活领域中都得到了广泛的应用。对于永磁电动机而言，其振动以及噪声是设备出厂的重要指标之一，同时此类指标在当前阶段，也成为我国诸多产品无法有效打开国际市场的重要影响因素。因此面向永磁同步电动机的改善与进化的领域中，控制其噪声和振动已成为电动机发展历程中的重要课题，对于各领域的应用都有积极的推进作用。

在永磁电动机的领域中，同步电动机与异步电动机从技术构成、相关特征一直到应用领域都有所差异。同步电动机具有可以调节的功率因数，因此在不对调速有要求的应用环境中，大型同步电动机的应用引入能够有效提升整体的运行效率，但是成本偏高成为同步电动机难以克服的缺点。虽然如此，同步电动机仍然在实际生活中有着广泛的应用，发电机、电动机以及电网环境中的同步补偿设备，通常都由同步电动机来充当。实际工作中，同步电动机可以通过展开对于励磁电流的调节，实现其超前功率因数下的运行，因此尤其对于改善电网功率因数有着积极价值。大型的电动机通常会应用于大型鼓风、水泵、轧钢等环境中，并且也会用作球磨机以及压缩机等。

对于同步电动机噪声的控制，首先应当对噪声的形成展开必要的剖析。依据其产生机理，可以将永磁同步电动机的噪声划分为3种，即电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声。其中，电磁噪声是同步电动机噪声的最为突出的来源，主要是因为电动机在运行过程中，电动机气隙磁场作用于电机铁芯产生的电磁力，从而激发电磁振动。在同步电动机的工作过程中，定子与转子的合成磁动势以及气隙磁导均会影响到电动机的气隙磁场，并且考虑到气隙磁密波的作用，在定子铁芯上产生的电磁力可以进一步分析出切向以及径向2个分量，其中后者会造成定子铁芯发生振动变形，并且形成电磁噪声。

其次，机械噪声在电动机的工作过程中同样不容忽视。形成的这一部分噪声，主要来源于机械运行过程中不同组件造成的摩擦，如果在电动机构件或者设计中存在不平衡因素，就更容易造成机械噪声。从更加微观的层面看，机械噪声与电动机构件所选用的材料、制造的工艺与精度，以及电动机的装配水平等方面，都保持着密切关系，并且机械噪声在一定程度上标志着电动机内部组件之间的配合程度，噪声越大，对应的在机械运动中所带给不同组件的影响和损耗也就越大，因此不容忽视。

最后，同步电动机的空气动力噪声也不容忽视，这是由电机内的冷却风扇产生的噪声。电动机在运行过程中必然会产生热量，为了保证其正常运行，通常需要为电动机配备通风系统，需要多安装风扇，并且在电动机外壳上配备对应的进风口，这就必然会因为风扇的运行而带来一定的噪声。此外，高速运转的凸极式永磁同步电动机中，其转子成为电机内部冷却的“风扇”，在电机旋转时，会产生较强的空气动力噪声。

在对同步电动机噪声的影响因素以及主要来源有所深刻认识的情况下，展开具有一定针对性的噪声控制讨论，帮助实现对于同步电动机的性能进行整体优化。对于同步电动机而言，虽然机械噪声和空气动力噪声同样不容忽视，但是并未占据噪声构成的主要因素。在电动机机械构成中，多采用滑动轴承，其噪声比较有限；并且在电刷励磁同步电动机中，电刷所产生的机械摩擦，可以通过安装时对电刷进行加强固定，避免电刷安装后出现偏心或者受力不均的状况，实现对电刷装置机械噪声的控制。此外，加强对电动机基座的固定、降低轴系不平衡振动、优化联轴器和集电环的噪声防护等，对于有效控制电动机的机械噪声均有不容忽视的意义。而对于空气动力噪声而言，其多来源于扇叶以及风压，则可以通过深入考察电动机在工作状态时的温度情况，减少扇叶直径，并且优化扇叶形状，采用后倾式风扇或者轴流式风扇，从而实现对风量和风压的优化，控制空气动力噪声，必要时可以引入隔音罩。

永磁同步电动机在运行的过程中，定子与转子间的气隙空间会形成一个磁场，其中的电磁力呈现出交变特征，并且该磁场中除了主磁通，还存在诸多谐波分量，多方面因素共同成为产生电动机电磁噪声的原因。因此在电动机工作的微观环境中，单位面积上径向力的瞬间值可以用式（1）表示。

式（1）中，b表示气隙中距离坐标轴圆周角θ的点于时间t的气隙磁密值，其中μ0为空气磁导率。该式表示径向力波的幅值与定子以及转子气隙磁密之间的正比关系，并且也可以从式中看出，降低定子以及转子谐波磁场的幅值和次数，对于减小径向力波，进一步降低同步电动机的噪声有着积极价值。实际工作中，对于噪声的控制有很多途径，限于篇幅原因，仅在此讨论2种比较常见的方法。

1 选用正弦绕组

同步电动机的定子绕组采用正弦绕组，能够在气隙中获取正弦分布电势，促使电动机气隙磁势接近正弦，对高次谐波实现有效控制。对于正弦绕组而言，可以采用延边三角形和星形-三角形2种方式实现联结，但是由于后者相对而言比较容易产生环流，因此并不常见，而延边三角形相对则更多出现在复杂的应用环境中。其结构见图1。

图1 延边三角形绕组示意图

在图1所示框架之下，星形连接和三角形连接会分别产生各自的磁场，共同叠加形成电动机环境中的磁场。则可以依据磁动势合成理论，推导出正弦绕组基波合成磁动势以及v次谐波磁动势，具体参见公式2、3。

式中，角标Y以及△分别用于标记星形以及三角形的绕组属性，ΦN表示对应情况下的每相串联匝数，而K则表示对应的绕组系数。进一步确定出对应的N以及K值，并且代入电动机磁场表达式，可以获取到正弦绕组的等效分布系数及每相串联等效匝数，并且通过调整相关参数，来实现电动机噪声的控制。

2 增大气隙

如果同步电动机具有长为δ的均匀气隙，则对应的磁通密度波可以用公式4来表达，而不同气隙磁通密度波的相互作用径向力波则可以用公式5表示。

因此可以看出，理想情况下磁通密度波和径向力波与气隙长度保持正相关，并且进一步考虑到机械振幅值Aγ与力波保持正比，其平方与辐射的声功率保持正比，则通过推导见公式6。

也就是当气隙增加时，对应的声功率会有所降低，如式7。

由此可见，增加气隙有利于控制噪声，但是也应当注意电动机的功率因数会因此而降低，导致空载电流增加，对应的损耗增加。因此，控制过程中必须谨慎选择。

参考文献：

[1]付增．开关磁阻电机的噪声分析与控制方法研究[M]．山东理工大学硕士论文，2006．

[2]王秀和等．永磁电机[M]．北京:中国电力出版社,2007．