铝壳电动机电磁噪声的控制

雷奶华¹，陈筱铁²，雷孙栓¹，温韵光¹

(1宁德出入境检验检疫局，福建福安3550l7；2福建出入境检验检疫局，福建福州355000)

摘要：从研究铝壳电动机的结构特点出发，从转子径向电磁力、共振和定子变形三方面分析了电磁噪声产生的原因，采用降低气隙碰密、加均压线、改进工艺等措施治理铝壳电动机电磁噪声，经生产实践证明有效降低了噪声，提高了铝壳电动机的制造质量。

    关键词：铝壳电动机；电磁噪声；控制

    中图分类号：TM306  文献标识码：A  文章编号：1004一7018(2010)04—0070—03

0引  言

    铝壳电动机就是用压铸铝的外壳替换传统的铸铁外壳的电动机。铝壳电动机具有外形美观、体积小、重量轻、结构简单、维修方便、生产过程比较环保、生产效率高、运输方便等优点，深受广大用户的欢迎。电动机的噪声是涉及环保和卫生的项目，欧盟、美国等发达国家均对其要求越来越高^[1]。

1铝壳电动机结构特点

  拆开一台铝壳电动机，如图l所示，可以看到前后端盖、铝外壳轻而薄，工艺较为细致。铝壳电动机的三个特点较为突出：一是铝壳电动机外图1铝壳电动机拆解图   壳为铝合金压铸形成的，由于铝材的延展性能好、比重小使铝壳重量轻、材料的刚度低；二是铝壳加工的工艺要求高，机壳、端盖的同心度差；三是铝壳不导磁，电动机轭部磁路相对比铁壳电动机饱和，电磁力波相对较大等。这些特点造成铝壳电动机的噪声较大，给生产和制造高质量的产品加大了工艺难度，使得铝壳电动机的噪声一般仅达二级噪声标准，与欧盟电动机噪声标准相比平均差距4～5 dB．

2铝壳电动机电磁噪声产生原因分析

    根据电机噪声产生的不同方式，大致可分为电磁噪声、机械噪声、空气动力噪声三大类。由于电机的定子及转子绕组流过交流电流，产生周期性变化的交变磁场，因而产生了电磁交变力，这个力经过电机的机壳或轴系的振动和传递，使周围空气随之作周期性的振动，从而产生了电磁噪声。

2.1转子径向电磁力的作用

    转子随时间及空间变化着的磁拉力是产生电磁噪声的最重要原因。电机的电磁噪声可由轴向、切向和径向三方向的电磁力引起，最主要的是径向电磁力[2]。气隙空间磁场是一个旋转力波，切向电磁力在一定程度上推动了转子，它的径向力使转子发生径向变形和周期性振动。分析铝壳电动机的径向磁力，根据傅里叶级数谐波分析原理有：

式中：P表示电磁径向力的幅值。p以角速度ω旋转，在某一点的电磁力随时间周期性变化。铝壳电动机的机壳相对较薄，延展性较好，因此径向力的幅值P相对较大，这也是铝壳电动机噪声比铸铁壳电机噪声大的根本原因2.2共振根据电磁力波理论，我们知道定子铁心不同阶次谐波的变形有不同的固有频率，当力波频率与模态频率相同，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”[2]。在力极对数与模态振型阶数相等的情况下，在每个振型半波中，受力情况和振动位移情况都是一样的，电机的二维电磁振动便可简化为一个力作用下有适当阻尼质量的振动，机械振动学中控制一维振动的理论便适用了。电机外壳即铝壳的弹性好，相当于增加了尼系数，使机壳的固有频率下降，在低频下更加容易产生“共振”，增大了噪声。同时，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进的谐波，在这种情况下，即使径向力的波幅不大，也会导致周期性振动和产生较大噪声。

2．3定子变形引起空气振动

    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。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谐波分量，将使电磁噪声增加。气隙空间的磁场中除了电源基波分量外，还有两次谐波分量，二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，在一般情况下，对二次谐波来说，电机转子刚度相对较强，定子铁心的径向变形是主要的，可以产生较大的噪声。基波分量对定子的作用和二次谐波对定子的作用如图2所示。   

铝壳电动机由于机壳压迫力小，定子的形变相对增大，凶此定子形变引起的噪声相对较大。

3铝壳电动机电磁噪声控制

    要降低电磁噪声，应尽量降低电磁力波中径向电磁力的幅值，特别在人耳灵敏度较高的频率区内，对两极电机，还要采取一定措施，减少低频率的噪声，在设训低噪声铝壳电动机时，主要采取以下一些措施。

3.1降低气隙磁密

    径向力波幅值与气隙磁密成正比，因此降低磁密就可以降低电磁振动及噪声。降低气隙磁密主要有两种方法：使用导磁性好的冲片和增加气隙[1]。噪声与电机气隙磁密初始值的饱和程度关系非常大。磁密的饱和程度与所用电工材料有关。设计者在对电机噪声提出苛刻要求的同时，尽可能选取低的气隙磁密，同时轭部磁密、齿部磁密也不能过高，否则会起到反作用。降低气隙磁密的另外一个方法就是增大气隙，这在铝壳电动机中经常使用[2]。适当地加大气隙可以减小谐波的幅值，减小气隙的不均匀度，并能使径向力波的幅值降低[3]。气隙不均匀度对低转速的铝壳电动机影响较大，所以，应尽量提高定子的结构刚性和加工精度。  

3.2加均压线  

    增加均压线是铝壳电动机降噪的一个重要措施。对于每相并联支路数超过1支的电机，从理论上来讲各支路感应电势是严格相等的，即结构严格对称，电磁也严格对称，支路间不可能产生环流。但实际情况下，由于工艺、装配等因素影响会造成电磁方面的不平衡、不对称，从而导致支路间产生环流。因此有必要将定子绕组中理论上的等电位点用导线连接起来强迫其等电位，让环流无法产生。连接等电位点的导线就叫均压线。加上均压线后，铝壳电动机噪声指标将会降低3～4 dB，效果十分理想。该方案****不足就是整形工艺较为复杂，定子绕组引接线较多，而且要求接线工人工艺要较为熟练。 

3．3选择转子斜槽距离  

    要避免低阶径向力波，理论分析和实验研究都；证明，低阶力波特别一阶和二阶对电磁噪声有很大的影响，****电磁噪声频率与二阶力波有直接关系。铝壳电动机通常采用少槽一近槽配合，这样可以减少齿谐波磁通在铁心齿中产生的脉振损耗和斜槽笼型转子导条的横向电流损耗，但少槽一近槽配合易产生电磁振动和噪声[4]。为了降低电磁噪声，必须避开低阶径向电磁力波，选择合理的槽配合。斜槽除了可以改善铝壳电动机的工作特性、起动性能外，同样也使噪声值在一个较大范围波动。采用定子斜槽或转子斜槽，会使作用到给定轴向位置的定子迭片上的径向力与作用在其他轴向位置的定子迭片上的径向力不同。换句话说，采用斜槽使得不同轴向位置的力之间存在相位差。因此，作用在一条母线上的平均径向力，乃至振动和噪声级，都将因采用斜槽而降低。实际上，斜槽对小型的铝壳电动机很有利，大型电机一般不采用斜槽，因为它会在转子鼠笼导条之问引起跨越电流，并造成扭转振动，从而增大噪声。对于小型交流电机，这种扭动的固有频率一般高于10 kHz，因而这种扭转振动对电机所发出噪声的影响可以忽略。由于采用转子斜槽而使噪声级减小，可表示为：

式中：L1为没有转子斜槽时的声级；L2为有转子斜槽时的声级；r为促成有关力波的转子磁动势波的极对数；α为以弧度表示的转子斜槽的几何偏斜角度[5]。

3.4降低电机表面的动态振动

    力波频率与模态频率相差较大时能降低电磁噪声的原理，使电机结构固有频率与主要的激发力频率失谐。为此必须确定定子结构、转子系统和末端防护罩的固有频度，并将这些固有频率同主要激发力成分的频率相比较，对于用固体组件变频供电的交流变速电机，避免发生共振极为困难，因为其主要激发力的频率随可变频率的基波将在很宽的频率范围内变化。增大定子铁心厚度，以便增强其刚度，因为定子的振幅近似与定子铁心厚度的立方成反比，而发出的噪声则与定子振幅的平方成正比，所以如把定子铁心厚度由h1增大到h2，则声功率级的减少值近似为

铁心厚度增大50％，则与此相对应，声功率级将减少大约10．5 dB。尽管这种方法对于减少磁噪声是有效的，然而将大大增加电机的重量并使成本提高，还应调整定子装置的固有频率以确保不使较厚的铁心产生共振[6]有时，在铝壳上有散热筋或散热片，主要是用来改善冷却效果的。然而这些散热筋在一定的程度上也增强了定子结构的刚度，从而减少了发出的噪声。

3.5改进工艺

    降低电磁噪声还需要从改进工艺着手，常用的有以下方法：

    (1)采用定子压铸后再车机壳两端外圆的工艺；

    (2)车前后端盖止口时采用合理的工装，使其在加工时不容易变形，以保证较好的精度；

    (3)采用硬度较好的铝合金端盖，并尽可能用外接镙栓来固定，以减少偏心量；

    (4)由于铝壳电动机较轻，电机底脚的不平衡会使振动加大从而影响噪声。在电机生产时，应尽量使电机的底脚平稳，在装配时应磨去底脚的毛刺；

    (5)定子压铸时尽可能采用热套的工艺，用感应加热器使机壳受热膨胀，而后压人定子，热套工艺的使用可以在一定程度上减小压定子产生的机壳变形和装配偏心。

4 实例

    在某工厂车间随机抽取一台铝壳电动机样机MS803—6，输出功率为O．75 kw，设计电压为380v，冷却方式Ic01。依据国家标准GBl0069．3—2006《旋转电机噪声测定方法及限值第1部分：旋转电机噪声测定方法》，对治理前三次测得该铝壳一电动机，取中间大小的；检测结果噪声为68．6dB，其噪声检测频率分布图如图3所示。    

    利用上述方法控制噪声，同选武钢w50左钢片，增大气隙O.1 mm，三相增加均压线6条，采用热套装配，我们也三次测量并取中间大小的检测结果，得到电机噪声为63.1 dB噪声频率分布m图，如图4所示。我们可 

以看到在人容易感知的频率段30～500 Hz的噪声明显减小，大于500 Hz图4治理后噪声测试图的噪声在治理前后相当，而小于20 Hz的低频率噪声则比治理前偏高，因此在对低频率噪声要求严格的场合，不能使用该方法对铝壳电动机进行控制。

5结语

    铝壳电动机的结构特点使其电磁噪声相对较大。通过有针对性地进行设计上的改进，采取适当的生产工艺进行治理，试验证明，着重选择转子斜槽距离、加均压线和控制同心度工艺等能有效地降低和控制电机噪声污染，从而提高电机的品

质。