电机电磁噪声的成因浅析与控制措施
2021-05-05
来源:步旅网
技术创新・Technology and Innovation El e ct17i c a1 A p pli a n c e 0 电机电磁噪声的成因浅析与控制措施 姚新祥 (珠海格力电器股份有限公司出口技术部 珠海 519070) 摘要:本文从电磁力波、齿槽配合和气隙偏心等方面分析异步感应电动机电磁产生的机理和原因,理论结合实践,从设计和 制造上总结了降低电机本体电磁噪声的一些方法,给出整机中与电机关联零件设计的一些建议,对降低整机噪声特别是共振 带来的噪声有一定的借鉴意义。 关键词:电磁力波;电磁振动;电磁噪声;定转子槽配合;气隙;斜槽;谐波;固有频率;共振 引言 人们通过身体能直接感受到空调器好坏的就是制冷、制热 和运转时的声音三个指标。随着生活质量的不断提高,除要求 空调器制冷、制热效果好和安全可靠外,对运转时的声音大小 要求也越来越高,不但要求整体声音低,还要音质好,没有异 常杂音。声音对人的影响是一个复杂的问题,不仅与声音的物 1电机的电磁噪声 家用空调器风扇用电机目前大部分采用单相交流异步感应 电机,转速处在中低速范围,输出功率大多在10~200W之间。 通过多年对空调器噪声测试的跟踪分析,这类小功率电机在空 调器上运转时所反映出来的噪声主要是低频电磁噪声,频率大 多在100~500Hz之间,主要有2f、4f、6f,大部分与风叶、安 装架(板)形成共振而被放大,也有少部分因谐波导致的噪音 分布在500~2000Hz之间。还有就是电源谐波带来的电机电磁 噪音。 理性质有关,而且与人的心情、身体状况、年龄等有关,每个 人在不同阶段、不同环境对声音的要求与感觉也不一样,从生 理学观点来看,一切不需要、感到干扰和令人心烦的声音统称 为噪声。噪声对人的健康是有害的,所以无论是产品还是作业 我们知道声音是因振动而产生。感应异步电机运行时,气 隙磁场形成的周期性变化电磁力波以极对数分布在气隙空间, 它对定子和转子产生磁拉力,使薄壁圆环形定子铁芯产生椭圆 形或多瓣形径向变形而出现周期性弯曲振动,这种振动激励周 围空气压力连续波动而产生噪声。其声波大部分由定子和其它 部件辐射到周围空间成为“气载噪声”,也有部分声波是底脚 环境都有噪声控制要求。空调器也不例外,它也有国家标准和 国际标准,但仅仅符合标准是满足不了消费者要求的,所以各 企业(特别是家电企业)在产品研发和生产时对噪声控制比标 准要严很多,正如一些广告中说的要做到“低噪”、“静音”、 “超静”。 空调器的噪声包括通风噪声、电磁噪声和机械噪声,它与 风道、风叶、电机、安装架(板)、压缩机、管路的设计与制 造质量有关。本文仅就其中的电机电磁振动引起的电磁噪声进 和转轴传递到基础和其它部件成为结构传递噪声。 电磁噪声的大小取决于电磁力的大小、电机结构件振动特 性以及电机本身声学特性,其声功率值可用下式进行计算: W=p。cSffo ̄ 行分析,寻求从电机本体设计与制造,以及与整机关联零部件 设计上控制措施,使空调器达到“低噪”、“静音”的目的。 式中: c——空气的声阻抗,在标准压力和标准温度空 35 2011.06 日用电器l Electrical Appliances 气中为408NS/m ; S一电机表面面积,mm2; ——辐射率 ‰——电机表面法向振动速度的有效值,mrn/s。 1.1电磁力波 由于气隙中磁场的存在,所以定、转子问产生电磁力。单 位面积径向磁力为 的数值及其分布按下式计算: =【 卜……………… 当B用T(特斯拉)作为单位时,上式Pr的单位是10N/ 1)基波磁场产生的电磁力:气隙中基波磁密 B・=B,cos(w,t一芋),带人式( )得基泼严生的电磁力坡: =( 『cos c 一 1= / B,]、,2 11+c。s(209】f_孕)】 =Po+P1 lB,= 为常数项,它是作用在定子铁芯以及转子铁芯 lIo5)1.J 只= 】 c。s(2∞ f一 )是基波磁场产生电磁力的交 变部分,它是力的行波。 图1(a)所示为两级电机径向电磁力的分布状况,图1(b) 中力波P 用集中力来表示。 电磁力波只 是以两倍与电源的频率交变的力波,它使定、 转子产生两倍电源频率的振动与噪声。力波月 在两级电机中的 影响要比四级及以四级上的电机要大,在大容量的两级电机中 容易产生较大的振动以及噪声。而在一般情况下,由于它引起 的振动与噪声频率低,两倍电源频率的磁噪声是不显著的。 2)定、转子任何一对高次谐波相互作用产生的力波 。下 面举例说明定、转子不同次数谐波磁场相互作用产生的电磁力 波。定子磁密波v为七次谐波,转子磁密波 为五次谐波。 图2所示为磁密波形以及由它们产生的径向力波波形。 此合成力波可分解的力波次数为: 7,=1 V+ l=l 7+5l=12 = JV一 l=l 7—5l=2 ■技术创新・日用电器 { (b) 图1 -.- 九九^.n nnn ^,、Jnl 口 U\J\』V 、J V ‘ I ,-2 _]『M^^ n ,I^ —— V lc V V V 1I i WI_z 图2 力波次数为2的径向力产生变形比较大,相应的振动及噪 声也比较大。 在径向电磁力波的作用下,电磁力直接作用齿上或磁极上, 定、转子铁芯都要产生变形,分析表明,噪声主要来源不是齿 和磁极振动所引起的,而是由铁芯磁轭振动所引起的。由于转 子紧固在转轴上,其刚度比定子大得多,定子铁芯的径向变形 是主要的,故我们在此主要研究定子铁芯轭部的振动所引起的 噪声。 为了简化分析,把定子铁芯当成一个圆柱形壳体进行研究。 在壳体上有力波为 的随时间周期变化的径向电磁力,此力在 空间成余弦分布。在此假定条件下,定子轭振动有图3所示的 振动形式。 =0是环的整个表面在均匀径向力的作用下作等幅径向 Electrical Appliances 1日用电器 201 1,06 36 技术创新・Technology and Innovation E1 e ct ri c a1 A p p11 a n c e s 审命 伞命 |.-4 另外,由于异步电动机气隙小,鼠笼型转子容易产生多种谐波, 所以电磁噪声问题相对来说比较突出。尤其是电磁噪声频率主 要是与转子齿频率成倍数的频率(= ,K为整数), ._ O ,皇I r-Z 图3 振动。 =1是在定转子铁芯间吸引力作用下,环不变形而作变位 运动。 =2,3,4,……,是在径向力波的作用下,环产生椭 圆形或多瓣梅花形成振动。 对于小的^y值,在铁芯受力波作用变形是相邻节点间距离 大,相对而言刚度差,变形比较大,引起了较大振动与噪声。 在不同次数力波的作用下,定子轭环具有不同的自振频率, 轭高增大,自振频率加大,磁环平均半径越大,自振频率越低。 电磁力波引起铁芯振动并迫使周围空气振动,产生电磁噪 声,其声能经机壳向空间辐射出去。基波磁场产生的交变径向 力无法削弱,唯有提高定子刚度来应对,有研究表明,铁芯刚 度与轭高的立方成正比,噪声与定子振幅的平方成正比,定子 轭高增加50%,噪声功率约可降低10dB。 1 2电机齿槽配合对电磁噪声的影响 气隙磁场中除了主磁通外,还有很多的谐波分量,它们的 频率往往是与齿、槽数成倍数关系,因此电磁噪声中不但有2f 的主磁通引起的噪声,还有谐波磁通产生的频率较高的噪声。 这里产生较大的电磁噪声必须具备如下条件: 1)产生振动和噪声的电磁力波幅值要大。 2)电磁力波次数比较低。 3)电磁力激振频率与铁芯自振频率相吻合。 定子铁芯不同阶次谐波的变形,有不同的固有频率,当径 向力波的频率与铁芯的某个固有频率接近或相等时,就会引起 共振效应,这时即使电磁力相对较小,但由于产生共振,也会 使铁芯变形、周期性振动和产生较大的电磁噪声。 在各次谐波中,齿谐波特别是一阶齿谐波影响重大,一方 面是由于齿谐波绕组系数与基波一致,不容易采取短距以及分 布绕组予以削弱,幅值也相对较大;另一方面在齿槽配合选用 不当时,齿谐波产生的电磁力波次数很低,产生较大的径向力。 37 2011.O6 日用电器l Electrical Appliances 此频率正处在人耳敏感的频率范围,更使人感到干扰和吵人, 所以设计时要特别注意定转子槽配合的选择。 1.3定子和转子开口槽对电磁噪声的影响 因定子和转子开口槽,气隙磁导在旋转时是变化和波动的, 气隙磁场中将岛现很多在基波磁势作用下产生的“槽开口波”, 它们与气隙和槽开口的大小有关,气隙越小、槽13宽越大,它 们的幅值就越大。 沟槽谐波噪声:_厂,= : ± 槽噪声:f一 1.4气隙偏心对电磁噪声的影响 气隙偏心有两种情况,一种为静态偏心,一种为动态偏心, 两种偏心都会产生振动而形成噪声; 1)静态偏心此种偏心位置固定不变,不随转子的转动而 变化。只要是生产出来的电机,此偏心总会存在,只是大小不同。 一般情况下气隙偏心控制在±10%气隙平均值。气隙偏心将使 磁拉力不均,严重时将产生很大的单边磁拉力导致定转子相擦 (俗称“扫膛”)。静态气隙偏心产生的电磁振动特征: a.电磁振动频率是电源频率的2倍,即2f; b.振动随偏心值的增大而增加、随电动机负载增加加大; c.气隙偏心产生的电磁振动与定子异常产生的电磁振动较 难区别。 2)动态偏心动态偏心是因为转轴挠曲、或转子铁芯不圆、 或端盖轴承室与轴承配合有间隙、或转轴轴承档与轴承配合有 间隙造成的,其偏心位置相对定子是不固定的,相对转子是固 定的,所以偏心位置随转子的旋转而同步移动。由于存在动态 偏心和转子不平衡,同时产生了不平衡电磁力和不平衡机械力, 且机械振动加剧了不平衡电磁力。对于偏心某一点来说,旋转 磁场超越转子转速的速度为2sf【式中:s为转差率=(同步转 速一电机转速)/同步转速*100%】,因此其产生的电磁力时 .域波形是以 频率振动,以1/2sf为周期的节拍脉动。动态偏 心会造成一边气隙加大,一边气隙减小,使磁导沿圆周产生周 期性变化,使基波磁势增加了一个谐波分量,其谐波次数为: v=P±1(P定子极对数)。动态偏心是由于转子椭圆、转轴 弯曲和转子本身装配、加工产生偏心等原因造成,随着转子转动, 其偏心位置在不断改变,引起了旋转频率的单边磁拉力而产生 噪声。由于转子在定子内有偏心,引起气隙偏心率等,对电磁 噪声也有影响,且转子电阻不平衡。 转子偏心率为2・s・fl。 1.5电源本身的谐波分量对电磁噪声的影响 电源本身的谐波分量、绕组分布造成磁场非正弦分布等, 都会使气隙磁场中产生高次谐波,这些高次谐波也会分别作用 在定转子铁芯上,使其产生变形和振动,会产生电磁噪声。 1.6铁芯磁饱和对电磁噪声的影响 铁芯磁饱和将会使磁场正弦分布的顶部变得平坦,三次谐 波分量加大,电磁噪声增加。 1.7制造质量不良对电磁噪声的影响 转子断条、铁芯压装不紧、装配气隙不均等都会造成电动 机2倍电源频率或转速频率的振动和电磁噪声。 2电机电磁噪声控制措施与实际应用 2.1降低电机本体电磁噪声的措施 从电机电磁噪声产生的原因分析看,降低电机电磁噪声可 以采取以下措施: .1)合理设计冲片 ①定转子齿槽配合 从前人总结的经验看,电机定、转子槽数应该满足以下条件 Ql≠Q2(Ql为定子槽数,Q2为转子槽数) - ,■■●…m¨:确■■t瑚nf■ :I ■技术创新・日用电器 Q1一Q2≠±1,±2,±3 Q1一Q2≠±2p、±(2p±1)、±(2p±2) 在开发某空调器用交流电容运转式感应电机时,初期某电 机外协厂将开发试制出来的电机送样后,电机本体存在电磁噪 音,其噪声值和频谱图如图4,电机厂在设计时考虑到电机效 率要求较高,所以选用了槽配合为24/26的冲片设计,以减少 杂散损耗,后改为24134槽配合的电机,电磁噪声得到改善, 重新设计后的电机噪声和频谱见图5。 从上可以看出,定转子槽数之差相差拉大后,可大幅度抑 制电磁噪声,但电机杂散损耗会增加,对效率有一定影响。对 于小功率电机而言,损耗大部分都集中在铜耗和铁耗上,杂散 损耗所在比例很低,此点可以不考虑。 另外在电机设计或选型时还要注意,同样的槽配合磁场不 同的电机,其电磁噪声也存在差别,有的还差别很大。从经验看, 当电机出现2倍转差频率噪声时,改变转子槽数是有效的办法 之一。 定转子槽配合的选取要视具体用途和性能着重点来进行 综合考虑。如使槽数能被极数整除,可以使电机平静地运转, 但机械特性曲线可能出现凹点;为达到降低噪声的目的应使 Q2一Q1相差20%以上;为降低电阻抗,应使Q2>Q1;为降低负 载附加损耗,应该取Q2<Q1,大约相差15%。 ②定子磁轭高度 上面提到定子铁芯外径相同的电机,轭部越高噪声越小。 定子轭高增加50%,噪声功率约可降低10dB。所以,在电机设 计时磁轭高度在其它性能符合要求的情况下,尽可能将磁轭高 度设计的高一些,它不仅可以提高定子的刚度,减少电磁力波 …船 _ “ 1III1 — 。d .~ :;’ _慵 蚺_ Electrical Appliances l I=ll ̄l电器 2011-OG 38 技术创新・Technology and Innovation E1 e ct ri c a1 AP p1i ai2 c e s 黼I 毗 翻侧● k狮 l I JIlI. 矗 妇 叠 i_l 即峨 图6-1 表1 噪声值 峰值噪声/频率 K厂 32.79 f N厂 35.56 f 霹 嚏 引起径向变形,以降低电磁噪声,关键是可以增加电机适用负 载的能力。 我们曾经在开发一款分体立式分体机上室内时,同时委托 -至蕈 图 K电机厂和N电机厂开发功率大小的电机,K厂和N厂的定子 l 冲片外径、定转子配合相同,但定子内径不同,磁轭高度也不同,罩 K厂的定子内径小,磁轭高度太N厂的定子内径大,恤 磁轭高度小。 电机送样后,电机本体噪声频谱和噪声值分别如图测试结果见 图6和表1。 从上看出K厂电机本体噪音与N厂的噪音相差不大,但N 厂的200Hz下存在噪声峰值。将这两个厂的送样电机依次装到 同一室内机上,噪声峰值即变得较为明显,我们又在电源中人 为加入一定的谐波,此时N厂的噪声峰值就更为明显。测试数 据见表2。由此可见,磁轭高度对电机噪声的影响有多大。 另外,从电机开发总结中得知,定子铁芯内圆体积相同的 电机,直径较大长度较短者,电磁噪声较小。激振力大小和频 率相同的电机,铁芯外径越大电磁噪声也越大。 2)合理选择气隙值并有效控制气隙的均匀性 电磁噪声的声压级与气隙长度的平方成反比,也与气隙磁 密的平方成正比,所以电机设计时要合理选择气隙值,家用空 调电机的气隙设计值在O.35~0.5mm(单边O.175~O.25 m ) 39 201 t・06 日用电器I Electrical Appliances ■‘w - i{ }l 1 ‘ 一~一—— ’ JL ‘ —— I J l血. . 1 A. 表2 标准正弦波电源 含有谐波的正弦波电源 总噪声值 峰值噪声/ 总噪声值 峰值噪声/ 频率 频率 K厂 40.0 无 41.7 200/25.8 N厂 39.2 200/25.8 40.4 200/34.6 之间选取。 气隙g加大,其噪声级按下式下降 = 呱(詈) 选取气隙值除要考虑噪声外,同时要兼顾电机的其它性能 指标,因为气隙加大后,相应激磁电流、定子电流、铜耗增加、 起动电流会增大,功率因素COS 0下降,效率降低,温升变高, 转速下降。采取此方式时要特别注意,气隙增加后2f1的脉动 转矩增加,对刚性安装的电机而言,工频嗡嗡声将会增加。 对于已经生产出来的电机,在电磁噪音超标的情况下,返 工转子适当增加气隙不失为一个较快的应急处理办法。当然这 样做,会牺牲一点诸如转速、功率等性能。曾经在解决一款产 品用32W电机上得到验证,气隙加大前后噪音得对比如下图7、 表3。 在加工方法和工装上控制“三同心”——机壳、端盖的铁 芯档与轴承室的同心度,转子外圆与轴承档的同心度,定子内 外圆的同心度;加强转子静平衡和动平衡的校正,以保证气隙 均匀性。 3)降低气隙磁密B 从上面的分析中知道,径向力波的大小取决于主磁通强度 的大小,电机振动来源于径向力波,所以降低气隙磁密可显著 .L oog,一 ■ NTⅧc L需怒∞ 缸 Ill- “ l、 M I』1 f- J ¨ 800 10∞ IK@ 锄 硼 姗 籼 棚 删∞∞ 囊搴Hz 覃样蒹率1咖HzFFT长度2O柏分辨率4腑Hz平均次数:日 图7(1) 表3 脑一 气隙值唧 噪声值 dB(A) 转速r/min 输入功率W -L q§, ■ 改进前电机 0.35 49.1 11l5 65 改进后电机 O.42 46.8 1096 69.5 减少电磁振动,降低噪声,但降低磁密将会付出较大的成本代价。 4)合理选用转子斜槽 斜槽可使交变径向力沿铁芯长度方向相位不同,合力减少, 假如斜槽距能使某次谐波的相移为2 ,则合力为零。转子斜 槽度为一个定子齿距,可以削弱定子一阶齿谐波;斜槽度为一 个转子齿距,可以削弱转子一阶谐波。 5)采用正弦绕组 采用正弦绕组可以减少磁势中的某些谐波分量降低噪声。 6)其它措施 除上面提到的电机电磁噪声控制措施外,还有诸如加厚机 壳厚度或增加散热筋以提高壳体刚度、合理选择定子绕组节距、 缩小槽口宽度、采用磁性槽楔、合理选用轴承波形弹簧垫片确 保轴向间隙等。当然端盖、机壳、转子、铁芯叠压等加工质量 也非常重要,在此不一一述说。 2.2空调器结构设计上的应对措施 因电机受齿槽、成本、工艺等制约,要完全消除电机的电 磁噪声是不可能的,它始终存在,只是强弱不同而已。这样我 们将电机应用到产品上时,其结构设计就要考虑合理选择材料、 零部件形状与加工方法既要提高与电机装配有关的支架、安装 板的钢度,又能起到减震效果,必要时还需要增加诸如橡胶减震、 二次减震、阻尼隔振等措施。 电机电磁噪声中除基波引起的2f噪声外,还有很多其它频 ■技术创新・日用电器 柑NtⅫcL T OTAL:∞.1dB 肚【1.1】 V ■I .蚰 ^ . J I▲ Jll 『r r’ V。 IIllI『W r一1 囊搴№ 晕佯瓶事: ̄ ̄0000 Hz FFT长度2048分辨率:4.883Hz平坶次越:B 图7(2) 次力波引起的噪声,部分空调器的电机安装架或安装板都是薄 钢板冲压成型的,其固有频率偏低,很容易与电磁振动频率一 致而形成共振而产生较大噪声,所以除上面提到电机本体要避 免产生激振频率外,还可以通过改变电机支架、安装板、底座 等零件尺寸与形状、加强筋的形状与尺寸来改变其固有频率, 避开其共振点。 假如我们将空调器上风叶当做电机转子一部份,实践及理 论均证实,其固有频率和电机配合的相关尺寸对电机在整机上 表现电磁音影响很大。 1)风叶固有频率要错开电机运行的最主要几个激振源频率, 以防止共振诱发严重整机噪音,常见激振源见表4。对于空调 上用的AS、ABS等塑料风叶,影响其固有频率一般主要是风叶 结构形状(质量分布)、材料、刚度等参数,而风叶高速运转 时风叶带有明显变形,这样质量分布改变,动态下固有频率会 有变化,所以一般静态下“锤击”法测量只可参考,有一定偏差, 真正应是装上标准整机实际匹配噪音测试为准,如果频谱上无 明峰值,音质正常,则说明无共振现象。如出现共振点,可以 通过改用其他塑料材料或在原材料中加入一定玻纤等改变共振 点。 2)空调风叶与电轴相关装配尺寸精度要高,尽量减小风叶 装上电机轴后的径小间隙,同时轴向定位牢固可靠,否则会因 为旋转方向存在脉动引发在基频上产生谐波而“滑差”噪音, 详见表4。 对于用可控硅调速的电机,输入到电机电压是经可控硅斩 波后的电压,其电压波形已不是完整的正弦波(如图8),波形“截 去一段”,要求的转速越低,被截的波形就越多,这样相当于 Electrical Appliances 1日用电器 2011.06 40 技术创新・Technology and Innovation El e ct ri c al A P Pli a n c e s 表4 类别 激振源 力波频率 注释 基波磁场或电源谐波磁场 f=Kfl K一般取5或以上,取 如50Hz电源__100Hz、200Hz; 值大的一般为电源引起 60HZ电源一120Hz、240Hz 转子齿谐波磁场 f=lK'Q2*(卜S)/P+1或0I*2fl 配合不好会出现 电机定子或转子变形、偏心或槽 电磁噪音 定转子相互作用齿谐波磁场 f=1K'Q2*(卜S)/P±2或0l*2fl 合不当出现 电机定子变形,偏心或电机槽配 、转差引起 f=kSfl 频率较低,往外辐射效率低,一 般少出现 转差在基波磁场上形成谐波 f=k:fl±kSfl 风叶与电机相关尺寸设计不合 理,配合不牢固出现 风扇旋转使气体周期脉动及气流 f碰撞固体物产生单调声 =n*z*K/60 经常出现 风道噪音 风扇叶片转动时使周围气体产生 一的涡流声 音般是一种宽频逞的随机稳态噪 较少出现峰值,只影响决分贝 , 注:n为转速(r/min);K音阶或力波次数,在齿谐波中可取±1、±2、±3,其于可取1、2、3;f1为电源频率;Q2电机转子槽数; Z为叶片数或风道出现边角数,轴承滚珠数;s为转差率;P为电机极对数。 囊■■l’■-.I■曩—■抽州矬簟糊 电机在不停的“启动一运行”,电机电磁噪音变大,特别是转 ;{ 速较低时更为严重。空调产品在选用这种调速方式时,电机轴 : 》 f 向间隙、气隙均匀度的控制显得尤为重要,安装上不要将电机 壳体通过螺钉等直接将其固定到电机支架或安装板上,而应在 但 暴 ’ , 凳 ・八 电机和安装支架(或安装板)上加合适尺寸和形状的减震胶圈 医 ☆\ 1 过渡,确实因结构限制不能加减震胶圈的,其安装架或安装板 y f }l 也应做减震设计,除非安装支架或安装板有足够的刚度。 3结论 —一-——■■—■■■一 l●●嘲- 本文通过对电机电磁噪声产生原因的分析,给出了电机本 体从设计、制造上控制电磁噪声的措施,并对空调器上与电机 ’ 关联部件的设计也提出了一些建议。 导 ! 匮 一~ J√ /【~ 一… 下… ', ■■■■■■■ ■■目口■■■■■■ 目■日目_■ 隔鼹翱嚼辩骶麟麓圈麟黼甄霹麓潮 丽■ 图8 参考文献 …沈标正《奄帮【敛豫j蠡霸自 枫熊正业出l版社 {21办囊苹噩裳转髑}激瓣l谶糖{艮垮 漓臻泰学出鼹社 【3】月l新群‘礞 攘捌技术疆冀甜滋纛》潘鑫工业出J鬟扯 【4】U.S C.G|vE (meo ̄o.d desIgn of  ̄duclk)n motor) 41 2011.06 日用电器l Electrical Appliances