电机电磁噪声的分析

电机电磁噪声的分析
定转子的槽配合的选择对电磁噪音的影响很大，选择合适的槽配合是降低电磁噪音最有效、最经济的方法，因此，在选择定转子槽配合时要慎重。

要避免出现幅值较大，次数较低的力波，幅值较大的定转子齿谐波磁场由定转子槽数决定，由电机学，可知定转子一阶齿谐波作用产生的力波次数m 为，
()()12m Z p Z p =±+±±+
式中1Z 、2Z - 定、转子槽数、p -极对数
定子相带谐波与转子一阶齿谐波作用产生的力波次数（对定子60 相带整数槽绕组）为：
()()26m Kp p Z p =+±±+
式中012K =±±⋯、、
定转子二阶齿谐波作用产生的力波次数为：
()()1222m Z p Z p =±+±±+
在设计时，应尽量避免定转子槽配合产生较低的m ，另外齿谐波幅值随转子槽数增大而减小。

因此，为了降低电机的电磁噪音，在选择定转子槽数时应采用远槽多槽配合，即 2Z 与 1Z 相差较大及21Z Z 〉，
电动机二维（力波频率与力波阶次）电磁噪声理论
由异步电动机气隙磁密波的作用,在定子铁心齿上产生的磁力有径向和切向两个分量。

径向分量使定子铁心产生的振动变形是电磁噪声的主要来源；
切向分量是与电磁转矩相对应的作用力矩,它使齿对其根部弯曲,并产生局部振动变形,这是电磁噪声的一个次要来源；
电磁噪声一般在极数较多、功率较大的电机中比较明显,并且是引起负载时噪声增大的重要原因。

三相异步电动机运行时，气隙中存在基波与一系列谐波磁场，它们相互作用除产生引起转矩的切向力外，还会产生许多高次、频率且各不相同的旋转径向电磁力波，这些径向力波作用在定转子上，使它发生径向周期性变形，即产生频率等于径向力波频率的振动，该振动传到机座，引起机座的振动，从而又使机座周围的空气脉动而引起电磁噪声，电机本身都有固有的振动频率，当径向力波频率与电机的固有频率相同或相近时，就会引起共振，产生很大的电磁噪音。

笼型异步电动机电磁噪声的频带通常为700 ～4000Hz 。

在这个频率范围内,人的耳朵有很高的灵敏度,因而引起强烈的噪声感觉,严重时表现为十分刺耳的啸叫声。

降低电动机电磁噪声的基本条件，除了使力波频率远离电动机固有频率这一传统条件以外，电动机二维电磁噪声理论又增加一个使力波阶数不等于模态振型阶数这个新条件。

因此，二维电磁噪声理论给电动机槽配合的选择提供了两个可以达到降低噪声的选择条件。

Y系列电动机的主要模态振型阶数大多数是2阶的，所以异步电机避免产生高电磁噪声的经验是消除2阶力波，二维电磁噪声理论给予异步电动机设计中槽配合的选择增加了必须考虑降低电磁噪声的新内容：
1.计算电磁力波阶数和力波频率；
2.计算电动机结构的模态参数，特别是模态频率和模态振型阶数；
3.在模态参数已确定的情况下，按二维电磁噪声理论中低噪声条件选择Z 1/Z 2；
电磁谐波磁场产生的力波
谐波磁场产生的力波所引起的振动与噪声，一方面与该力波的幅值大小有关，也与力波阶次的次数有关。

在大多数情况下，次数小于8的影响较大，高次数的力波一般不考虑，所以一定要选择合适的定转子槽配合，以避免产生较低次的力波。

若Z 1和Z 2分别代表定、转子槽数，则要求：
Z 1-Z 2≠(0或2p)；
Z 1-Z 2≠(±1或2p±1)；
Z 1-Z 2≠(±2或2p±2)；
Z 1-Z 2≠(±3或2p±3)；
槽配合影响电机的附加转矩、附加损耗、电磁振动和电磁噪声。

从降低电磁噪声方面考虑，选择槽配合时应注意以下问题：
（1） 选择合适的转子槽数来降低电磁噪声；
转子的槽数直接决定转子力波的频率，也就是说如果转子槽数选择不当，使力波频率与定子固有频率重合，电机将有明显的电磁噪声现象，可用下式计算：
12f p
Z k
f •= 上式中：......2,1,0=k ；
f 1 = 定子工作频率；
（2）选择合适的定、转子槽数来提高电磁力波的阶次；
定转子槽数对电磁力波的阶次n 有直接的影响，对于不同槽配合的电机将产生不同阶次的力波。

根据下式计算电磁力波的阶次n.
{
11221222Z K Z K p Z K Z K n ±±±=
上式中：......3,2,1,21±±±=K K
根据麦克斯韦定律，气隙磁场中单位面积的径向电磁力按下式计算：
式中：B ——气隙磁密
θ——机械角位移
μ0——真空磁导率
由于定、转子绕组中存在着主波磁势与各次谐波磁势，它们相互作用可以产生一系列的力波。

主波磁场产生的力波
主波磁场B 1所产生的径向力波为：P r1=P 0+P 1， 式中，是径向力的不变部分，它均匀作用于圆周上，使定子铁芯受到压缩应力。

不变部分不会产生振动与噪声。

P1=P0cos(2pθ-2ω1t-2θ0)，
其中p为主波的极对数，ω1—主波的角速度，θ0—初相角。

P1是径向力波的交变部分，这个力波的角频率是2ω1，即2倍的电源频率，它使定、转子产生2倍电源频率的振动与噪声。

它的强度与气隙磁密的平方成正比，这在两极的大容量电机中，容易产生较大的影响，而在一般情况下，由于它的频率较低，其噪声影响并不显著。

为了控制机械噪声和振动，首先必须判明产生振动或噪声的部位，使用仪器测绘电机噪音频谱曲线时,常用倍频程或1/3倍频程,电机噪音频谱分析一般用1%窄带频谱这样便于找出电机的主要噪音声源（如仅做分析不计量可以用掌上电脑的噪音测试软件测试对应峰值）；
常见的电机噪声频率与发生部位：
1. 轴承 1)轴承滚珠：2000-5000Hz；
2)轴向振动：1000-1600Hz有明显峰值；
3)轴向串动声： 50-400 Hz有明显峰值(对应f=n/10, n/30,
n/60*Re/Rc 或E*n/30)；
2. 端盖共振：1000-1500 Hz有峰值；
3. 机壳共振：500-1000 Hz有明显峰值；
4. 换向器噪音： m*n/60；
5. 转子动不平衡噪音：n/60 Hz；
6. 单边电磁拉力不平衡：峰值与电源频率对应；
7. 电机定子磁场径向磁拉力振动峰值与两倍电源频率对应；
8. 齿谐波噪音：ZQn/60+2f0 (Z为谐波次数,Q为转子齿数,f0为电源频)；
9. 转差声：Sf0或2Sf0，S为转差率(%)；
10. 空气动力共鸣声：在f=m*Z*n/60有明显峰值,m为风道数,Z为谐波次数；
电机的负载噪音的测试；
1．外拖法(负载隔离法)；
2．对拖叠加法(施加负载法)；
3．振动测试法；
电磁噪声是由在时间上和空间上作变化，并由电机各部分之间作用的磁拉力引起的。

对于异步电机电磁噪声的形成的原因可以归为：
1. 气隙空间的磁场是一个旋转力波，它的径向力波使定子和转子发生径向变形和周期性震动，产生了电磁噪声。

2. 气隙磁场中除了电源基波分量外，还有高次谐波分量，高次谐波的径向力波也都分别作用于定转子铁心上，使它们产生径向变形和周期震动，在一般情况下，对高次谐波来说，电动机转子刚度相对较强，定子铁心的径向变形是主要的，可能产生较大的噪声。

3. 定子铁心不同阶次谐波的变形，有不同的固有频率，当径向力波的频率与铁心的某个固有频率接近或相等时，就会引起“共振”。

在这种情况下，即使径向力的波幅不大，也会导致铁心变形、周期性震动和产生较大噪声。

4. 定子变形后引起周围空气振动，从而产生噪声。

这时，定子相当于一个声辐射器。

5. 当铁心饱和时，将会使磁场正弦分布的顶部变得平坦，在磁场分布中加大了三次谐波分量，将使电磁噪声增加。

6. 定转子槽都是开口的，气隙磁导在旋转时也是在变化和波动的。

气隙磁场中出现了很多由于槽开口引入的谐波。

我们可采用下列方法降低电磁噪声。

1. 尽量采用正弦绕组，减少谐波成份；
2. 选择适当的气隙磁密，不应太高，但过低又会影响材料的利用率；
3. 选择合适的槽配合，避免出现低次力波；
4. 采用转子斜槽，斜一个定子槽距；
5. 定、转子磁路对称均匀，迭压紧密；
6. 定、转子加工与装配，应注意它们的圆度与同轴度；
7. 注意避开它们的共振频率；
在现阶段要想设计一台彻底避免电磁噪声的电机是不可能的，我们所能做的就是使所设计的电机的气隙磁场谐波分量要小，产生的径向力波阶次数要高，使电机电磁激振力波的频率远离定子固有频率及变频器开关频率。

尽量控制变频电机在较宽的调频范围内，始终保持理想噪声。