直流电机的磁噪声

直流电机的磁噪声1产生原因直流电机的定于是凸极式的，给我们的分析带来许多困难。

其一是直流电机的凸极形磁极造成了定子圆周的严重不对称。

由第三章的分析知道，这时，必须考虑广义齿(即磁极)的对称振动和广义齿的反对称振动。

一般来说，直流电机定子振动时，变形主要在非磁极相连的那部分圆周。

其二是磁极的凸极形状，使定子励磁绕组所产生的主极磁场类似于同步电机转子励磁绕组所产生的主极磁场。

因此，完全可以借鉴同步电机的分沂。

但现在所不同的是：同步电机中主极磁场是随转子一道同步旋转的，而直流电机中主极磁场由定子直流电所产生，是静止的。

这样，直流电机的电磁噪声必然是与转子关系密切，从而得到与同步电机不同的结果。

其三是凸极形是定子磁极，既然是静止的，气隙中的主要能量也必然是存贮在静止的区域中，即直流电机定子的磁极下的气隙中。

由马克斯韦定律可知，直流电机的电磁振动激振力波或力矩主要是在磁极下起作用。

磁极上的作用力主要有随时间而变的径向力、切向力和弯曲力矩。

既然考虑产生振动的交变力，它肯定不可能完全由定子方面直流电产生，必须有转子方面产生附加磁场的参加，才能产生这种交变力。

因此，在直流电机电磁噪声的分析与控制中，转子所产生的磁场频率、极对数和幅值的分析才是至关重要的。

为简便起见，在分析中不考虑切向力矩。

气隙磁场产生的径向力波为22022001202212120(,)1{cos cos[()]}2221cos{[()]}22k n r k r h B b t p B kZ kZ t B B kZ kZ t νννννννθνθνθωμμννθωμΛ==Λ+±-ΛΛ≈±±-∑∑∑∑∑∑（7-45） 由此可知：直流电机中由径向力波引起的振动和噪声频率为转子旋转齿额，即221260r Z n f kZ k ωπ== k=1,2,3…实践证明，与同步电机一样，定子主极磁场与转子一阶齿谐波磁场相互作用，所产生的力波是引起直流电机电磁噪声和振动的主要成份。

所不同的是，现在，由于力波主要在磁极下起作用，作用力或力矩在蹈极极面下求平均值。

因此主要考虑主极磁场基波与一阶转子齿谐波磁场相互作用所产生的力波和力矩。

这样，可以假定直流电机的气照磁场由二部分组成，一是主极磁场基波，二是转子开招引起的一阶齿谐波磁场。

诸自强7.4 直流电机的电磁噪声多次实验研究表明：直流电机的磁振动主要是由齿频磁力产生。

2/60Z nπω=秒式中 Z —电枢铁芯齿数。

因此下面进行的计算仅为齿频的振动。

为了使计算简化先研究空载状态，在这种情况下作如下假定：1．气隙中的磁场在极靴边缘降到零，如图6—l所示；2．主磁极是绝对的刚体，并牢固的固定在磁扼上；3．附加极是连接在磁轭突块上，磁力不作用于附加极上。

我们研究电枢齿引起的磁力对电机主磁场的作用，这种情况在实际中是最常遇到。

舒波夫 6直流电机的磁噪声2影响因素和措施2.1斜槽或斜极同样，降低异步电机电磁噪声的措施，原则上也运用于直流电机，如斜槽或斜极可大幅度地抑制径向力和弯曲力矩，减小的倍数为斜槽系数。

实践表明负载对直流电机的电磁噪声影响不大，一般不超过3分贝。

尤其是当直流电机与同步电机—样，在磁极上装有阻尼绕组时，直流电机中电枢反应磁场被阻尼绕组产生的磁场所补偿，负载电磁噪声可按空载电磁噪声来计算。

就降低直流电机电磁噪声的方便、可行性来说，斜磁极，即使磁极斜过一个转子齿距，和在磁极上安装阻尼绕组是值得采用的办法。

当磁极上安装了象同步电机中一样的阻尼绕组后，因转子槽引起气隙磁密中的脉动分量在阻尼绕组中感应电势并产生电流，而这一脉动电流所产生的磁场反过来又对气隙磁密的脉动分量起阻尼抑制作用，从而降低了齿频分量的幅值，达到降低振动和噪声的目的。

一台ZD2型160千瓦直流他激电动机，电压440伏，电流398安，转速500转／分，2p＝4，Z2＝47，上海电机厂对其试验表明，当电机升速至66—70转／分时，电机噪声特别大，声压级为99分贝(A)，振幅为150微米，振速52毫米／秒，电源切断后，剧烈的振动和噪声立即消失。

故电机振动和噪声属于电磁振动和电磁噪声为主。

噪声与振动的基波频率为52赫左右。

利用电磁激振器激振测得电机转子的固有频率为50赫左右。

测试表明电机振动最大点发生在换向器端轴承水平横向处，噪声最大值出现在换向器端观察窗处。

对比试验的测点均为此位置。

除采用了类似于异步电机中的降低振动和噪声措施之外，还采用了加装阻尼绕组的措讯效果最好。

见图7—9。

对该电机分析表明，在原机不作较大的改动的情况下，要消除低速68转／分左右剧烈振动和噪声是困难的，因为该电机调速范围广(0~500转／分)。

只有采取削弱或降低旋转齿频磁拉力的幅值的办法才是可行的。

该电机由于需要调速，旋转齿频激振力频率在大范围内变动，当变速至68转／分左右时激振力的频率与转子固有频率接近，发生共振。

由于是转子发生共振，与转子相连换向器和轴承振动加剧，使电刷和轴承的噪声大大增加。

因为噪声是由转子共振引起的，频率应为旋转齿频，振动最大点发生在换向器端轴承水平横向处，噪声最大点出现在换向器观察窗处。

当电机不是在66~70转／分转速下旋转时，旋转齿频激振力的频率偏离转子固有频率，振动和噪声减弱。

当电源切断后，旋转齿频激振力消失，共振现象也随之消失，只有换向器或轴承本身引起的振动和噪声，振动和噪声便大幅度降低。

当磁极上装有阻尼绕组时，大大削弱了旋转齿频激振力的幅值，因此使电机振动和噪声大大降低。

诸自强7.4 直流电机的电磁噪声2.2选择电枢槽数选择电枢槽数Z 时，应该偏重使2p Z值大，因为在这种情况下，磁通的纵向脉动会减小，因而使电机接线端的电压变动减小和磁振动减小。

但是应该记住：过分的增加槽数就会增加槽绝缘的消耗，这样就会使电机的价格增大。

此外，由于槽中绝缘厚度的相应增加，电机的长度也会增加。

选择电枢槽数时应该满足下列条件：1.根据实践的资料每极槽数2p Z应符合以下所列数值：这里对所给的某一电枢直径，2p Z值大的相应于极数少的电机2. 电枢槽数应该满足绕组对称条件。

3. 电枢直径大于1000毫米时，电枢铁芯由扇形片叠装而成，槽数选择应考虑到扇形片的尺寸和每片扇形片的槽数可进行铁芯叠装，此外沿电枢圆周的扇形片数应能降低产生轴电流的可能性。

1pb t α=值的选择没有重要的意义，因为电机在负载下工作时这个数的有效值可能是变化的。

在图6—4a 所示的情况下，电枢反应磁场可能使齿部和极靴边缘饱和。

为了减小极靴边缘饱和的可能性，应将极靴边缘做成圆形如图6—4b 所示。

舒波夫 6直流电机的磁噪声2.3注意定子轭的固有振动在直流电机定子轭和同步电机(或异步电机)定子机壳的高度相等时，直流电机定子轭的固有振动频率比同步电机或异步电机定子的固有振动频率低。

这是由于固定在轭上的主磁极是一些集中质量。

直流电机固有振动频率的详细研究表明：按公式(3—44)计算，频率的降低是依靠计算时修正所用质量数值来进行的。

这时柔度计算公式不变。

上述质量数值与电枢槽数和极对数p 的比有关。

这里应该区分两种情况1．Z 不是p 的整倍数(''Z q p ≠)，因而振动次数r 不是p 的倍数；2．Z 是p 的整倍数(''Z q p =)，则振动次数r 也是p 的倍数。

对上述情况，轭的平均圆柱表面的l 厘米2的振动质量m 值如表6—2所示。

表中系数k 由下列关系式确定22224p pj j l h k l h +=+式中 p h ——磁极的径向高度；j h ——定子轭高；p l ——磁极轴向长度；j l ——定子轭的轴向长度。

2.4电枢直槽和磁极下偏心气隙偏心气隙或由磁极中心到磁极边缘逐渐增大的气隙是由极靴的特殊截面所形成。

通常这个截面可由相对偏心率表征，相对偏心率是极靴边缘下的最大气隙m ax δ和极靴中心下的最小气隙m in δ之比，如图6—5所示。

在直流电机中采用偏心气隙是为了削弱引起振动和噪声的交变力的作用，以及削弱电抠反应磁场。

在这种情况下电机计算的基本条件应使偏心气隙的磁导和该电机最合适的均匀气隙的磁导等效。

否则，靠降低电机的有效材料利用也能降低磁噪声。

偏心气隙的效果随比值1pb t 的增加而增加。

设计低噪声电机时，一般采用的气隙偏心率为1：2和1：3。

大于1：3的偏心率会明显地增大磁极中心下的气隙磁密，这样可能使相邻换向片之间的电压增大。

图6—5所示为偏心气隙时磁极下磁密的分布特性。

由均匀气隙和偏心气隙总磁导等效的条件得出，当气隙偏心率为1：2时磁极中心下的气隙为min (0.75~0.8)δδ=而当偏心率为1:3时m in 0.6δδ≈进行过的多次计算和实验研究表明：上述的偏心气隙与均匀气隙比较能使激磁力减小几乎二分之一。

2.5电枢斜槽和磁极下均匀气隙电枢槽斜一个槽距时能明显的降低磁燥声。

实际上不采用大于一个槽距的斜度，因为在这种情况下附加极建立补偿磁场来补偿短路元件中的感应电势较为困难。

在某些换向紧张的电机中甚至斜槽斜一个槽距都使换向恶化。

这对单叠绕组电机和磁极之间空间槽距数少的电机尤其有关，如图6—6所示，在这种情况下换向元件边ab 和cd 部分地靠近主磁极，当励磁磁场强和电枢反应磁场磁密大时就可能会破坏换向。

电枢斜槽时，产生激磁力的实际情况与交流电机中相似。

计算斜槽的激磁力和激磁力引起的振动可按第4章的公式进行。

因为直流电机的斜槽大小通常采用电枢槽距的分数c ，则因4—9中横座标上提供的也是c 值。

斜糟和偏心气隙的配合是降低磁噪声的有效方法。

如图6—7所示，采用“人字形”极靴也可明显地降低磁噪声。

但是这样的磁极型式会明显地提高电机结构的造价此外，在这种情况下用附加极补偿短路元件的感应电势要困难得多。

2.6负载对磁噪声的影响1．没有补偿绕组的电机：电枢反应使气隙磁场畸变，因此在极靴一边的磁密变得比另一边的磁密大。

电枢绕组的槽谐波相对励磁场的槽谐波位移90°。

因而负载时轭的振动可以看作是彼此位移90°的两个相同的变形波的形式，其中一个是励磁磁场产生，另一个是电枢反应磁场产生。

如果轭的机械阻抗由空载过渡到负载时变化不大，那么用计算的方法可以表明，在负载时振动级增加不大于3分贝。

已有的实验表明，在大多数情况下，负载下的齿频振动与空载时的振功差别不大。

在负载下振动显著增大的个别情况可用轭的机械阻抗减小来解释。

2．有补偿绕组的电机：在这种电机个电枢反应磁场由补偿绕组的磁场补偿。

因此可以利用上述空载的计算公式计其激磁力。

槽斜一个槽距时，与空载时相似，径向力r p ，和变曲力矩r M 被抑制。

补偿绕组的槽数为'Z 时，力波次数2'''0r pq Z Z =±±>当'''2Z Z pq ±=时产生零次振动。