曹波,劉碩,晏明
(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司,四川 德陽(yáng) 618000)
我公司為廣東某供水公司泵站提供了4臺(tái)三相立式同步電動(dòng)機(jī),電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí),出現(xiàn)較大噪聲并伴有尖嘯聲。電機(jī)主要參數(shù)如下:
型號(hào):TL1000-12;
額定功率:1000kW;
額定電壓:6000V;
額定電流:112A;
額定轉(zhuǎn)速:500r/min;
極數(shù):12。
依據(jù)GB/T10069.1在電機(jī)上機(jī)架層中布置測(cè)點(diǎn),即以突出上蓋板部分為測(cè)量基準(zhǔn)體,編號(hào)1#~4#測(cè)點(diǎn)分別在距離基準(zhǔn)體外表面1m遠(yuǎn)的包絡(luò)面上,測(cè)量電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)噪聲數(shù)據(jù)如表1,噪聲頻譜如圖1。隨后對(duì)電機(jī)停機(jī),噪聲在斷電瞬間消失。
圖1 電機(jī)噪聲頻譜測(cè)試
表1 電機(jī)噪聲測(cè)量幅值(聲壓級(jí))
結(jié)合以上測(cè)量數(shù)據(jù)和現(xiàn)象可以看出,噪聲的主要成分是電磁噪聲,頻段在900Hz。
在同步電機(jī)中,存在著定子和轉(zhuǎn)子繞組磁勢(shì)的基波和高次諧波,同時(shí)存在氣隙磁導(dǎo)諧波,定子齒諧波,它們相互作用后,會(huì)在氣隙產(chǎn)生一系列組合的電磁力波,這些力波有著不同的幅值、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、節(jié)點(diǎn)數(shù),尤其是一階齒諧波不會(huì)隨電機(jī)的短距系數(shù)及分布系數(shù)而削弱,是電磁噪聲產(chǎn)生的根本原因。
采用FLUX瞬態(tài)有限元,求解磁場(chǎng)諧波及電磁力波(見(jiàn)圖2)。
圖2 計(jì)算模型與剖分
計(jì)算結(jié)果表明:17、19次磁密諧波占比超過(guò)9%,屬于較大水平。本電機(jī)定子槽數(shù)Z1=108,極對(duì)數(shù)p=6,轉(zhuǎn)子17、19次諧波和定子一階齒諧波相互作用下,會(huì)產(chǎn)生0節(jié)點(diǎn)的900Hz電磁力波。
對(duì)負(fù)載電磁力波進(jìn)行分解(見(jiàn)圖3、圖4),隨著負(fù)載磁密的增加,900Hz分量的幅值大幅增加,從空載的每齒36.6N增加到了94N,增幅2.6倍,定子電樞反應(yīng)加強(qiáng)了900Hz電磁力波強(qiáng)度。
因此,電機(jī)的一階齒諧波與轉(zhuǎn)子17、19次高次諧波相互作用,產(chǎn)生頻率為900Hz、節(jié)點(diǎn)數(shù)為0的激振力,是產(chǎn)生900Hz噪聲的根本原因。
圖3 負(fù)載磁力線(xiàn)
圖4 900Hz電磁力分量
同時(shí)檢查發(fā)現(xiàn),該電機(jī)定子壓圈、定子鐵心支撐籠剛度較弱,導(dǎo)致電機(jī)定子整體剛強(qiáng)度不足。在相同的電磁激振力作用下,剛度較弱的電機(jī)定子其振動(dòng)幅值較大,傳遞出的噪聲會(huì)明顯高于剛度大的電機(jī)。
通過(guò)分析計(jì)算,斜極/斜槽后,900Hz電磁力不再具有呼吸效應(yīng)。在整個(gè)軸向上,每一小段鐵心所受的電磁力的相位從0到360度均勻分布,所以整個(gè)齒上的合成電磁力接近0,即局部鐵心的電磁力會(huì)隨著時(shí)間以正弦波不斷變化,但每個(gè)齒在整個(gè)軸向的合成電磁力是不變的,始終接近于0。
同時(shí)相比較定子斜槽,斜極的方案對(duì)電機(jī)的改動(dòng)工作量較小,因此采用轉(zhuǎn)子沿軸向傾斜一個(gè)齒距的方式。
圖5 轉(zhuǎn)子斜極計(jì)算模型
通過(guò)圖5計(jì)算模型進(jìn)行分析,該方案的諧波含量較低,THD(總諧波畸變率)為0.478%,THF(電話(huà)諧波因數(shù))為0.613%,由諧波產(chǎn)生的高頻電磁力波強(qiáng)度較小。
在定子鐵心背部增加筋板,并在鐵心兩端增加壓圈的焊縫數(shù)量,以提高定子鐵心的整體剛度,增加對(duì)噪聲的抑制能力。
電機(jī)改造完成后,工廠內(nèi)進(jìn)行了噪音測(cè)試,測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表2和圖6)表明:改造后,電機(jī)在不同運(yùn)行工況下的噪聲基本一致,約79dB;與改造前相比,電機(jī)噪聲幅值消減約10dB,尤其是高頻電磁噪音成分,峰值得到有效消弱。
表2 噪聲測(cè)量幅值(聲壓級(jí))
圖6 噪聲測(cè)量頻譜
目前用戶(hù)對(duì)噪音等環(huán)境因素越來(lái)越重視,尤其是電磁噪聲,其尖銳的噪聲會(huì)造成用戶(hù)身體上的不舒服。
本文通過(guò)理論分析和有限元計(jì)算,找出噪音偏大的原因并提出解決方案,最終通過(guò)改造后的試驗(yàn)驗(yàn)證,確定該方案可有效降低電磁噪音并達(dá)到用戶(hù)滿(mǎn)意,同時(shí)為處理同類(lèi)問(wèn)題積累經(jīng)驗(yàn)。