低噪聲電機(jī)設(shè)計(jì)

摘 要： 隨著當(dāng)代科技的逐步發(fā)展，低噪聲電機(jī)的設(shè)計(jì)成為當(dāng)前工業(yè)追求的目標(biāo)，尤其是當(dāng)ISO 14001頒布的標(biāo)準(zhǔn)之后，電機(jī)的低噪聲越來越成為開發(fā)的熱點(diǎn)之一。本文筆者首先對(duì)電機(jī)出現(xiàn)造成的原理進(jìn)行闡述，加之目前的研究成果，運(yùn)用多種學(xué)科的知識(shí)，構(gòu)建了一種低噪聲電機(jī)設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法具有一定的現(xiàn)實(shí)意義及很大的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞： 低噪聲；電機(jī)設(shè)計(jì)；實(shí)際應(yīng)用

隨著工業(yè)工程的逐步推進(jìn)，電機(jī)被應(yīng)用于多方面，生活和工作都離不開電機(jī)。當(dāng)電機(jī)被廣泛普及，我們開始追求電機(jī)的低噪，使之更好的為人們進(jìn)行服務(wù)。

低噪聲電機(jī)的提出是在上世紀(jì)七十年代以后，在對(duì)激振力波以及空氣動(dòng)力噪聲的研究之后，低噪聲電機(jī)正式被行業(yè)內(nèi)的研究者提出來，經(jīng)過四十年的發(fā)展，在對(duì)低噪聲電機(jī)的一輪又一輪設(shè)計(jì)中，噪聲得到了有效的控制。

1 研究現(xiàn)狀及問題

縱觀國內(nèi)市場，大多數(shù)的公司在對(duì)電機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)候，技術(shù)上的限制十分的明顯。具體來說，設(shè)計(jì)師們?cè)谏a(chǎn)電機(jī)的時(shí)候，往往只是根據(jù)日常的經(jīng)驗(yàn)，表現(xiàn)為在設(shè)計(jì)后期在對(duì)噪聲問題進(jìn)行考慮。弊端十分明顯：設(shè)計(jì)周期長，成本十分高昂。作為消費(fèi)者來說，使用滿意度下降，效果并不是很好。

由此可見，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法之上，我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)的初期對(duì)電機(jī)的噪聲進(jìn)行考慮，解決聲振的關(guān)系，成為低噪聲電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 低噪聲電機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)噪聲的產(chǎn)生原因

就理論而言，電機(jī)的噪聲主要出自電磁、空氣動(dòng)力以及不平衡力；由系統(tǒng)的動(dòng)特性以及聲輻射特性來決定。所以對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性進(jìn)行深入的分析，以此可以達(dá)到控制噪聲的效果。

分析噪聲源，鎖定電機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)以及噪聲分貝數(shù)和參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一款有效控制電機(jī)噪聲的設(shè)計(jì)方案。

2.2 電機(jī)噪聲控制的原則

首先，降噪的一般性原則如下：電機(jī)的噪聲及不可以指定在某一水平之上，我們必須根據(jù)實(shí)際情況，采取合適的方案進(jìn)行噪聲控制。

其次，要減少噪聲源的激發(fā)力。減少電機(jī)電磁力和空氣動(dòng)力產(chǎn)生的沖擊以及渦流噪聲，提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度。

最后，需要降低結(jié)構(gòu)中噪聲輻射部件對(duì)激發(fā)力的響應(yīng)。使用這種方法可以有效的抑制噪聲。

除以上之外，還可以利用聲反射等等手段來減少聲源的傳播，達(dá)到噪聲控制的效果。

2.3 低噪電機(jī)設(shè)計(jì)

接下來本文以低噪聲水泵為例，設(shè)計(jì)一款新型寬氣隙永磁電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極為海爾貝克陣列（Halbach Array）。基于該電機(jī)的特點(diǎn)，我們引入可有限元法對(duì)其電磁場的分布情況以及氣隙感應(yīng)進(jìn)行測(cè)定。考慮到斜槽定子與轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。我們對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電機(jī)諧波低，效率高，功率因數(shù)高。

設(shè)計(jì)的集成低噪推進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由三個(gè)部分組成：基本框架、吸收管道和集成推進(jìn)電機(jī)裝置。框架和管道之間有橡膠阻尼隔離層，吸收管道對(duì)稱地安裝在電機(jī)的兩個(gè)端子上。選用內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)作為原型機(jī)，功率為22.5kw。 螺旋槳嵌入轉(zhuǎn)子，泵內(nèi)沒有中心軸。氣隙中的軸向和徑向軸承支撐并定位轉(zhuǎn)子。 水通過定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙，為電機(jī)帶來優(yōu)異的冷卻條件，但對(duì)絕緣材料要求高。

該永磁電機(jī)采用梨形槽。傾斜槽的數(shù)量為1。轉(zhuǎn)子上永磁體的布局為爾貝克陣列。每個(gè)極由兩個(gè)永磁體組成，一個(gè)在徑向磁化，另一個(gè)在切向上。通過引入爾貝克陣列可以加強(qiáng)氣隙磁通密度，同時(shí)轉(zhuǎn)子的磁軛密度可以減弱。轉(zhuǎn)子磁軛采用固體結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子的后環(huán)和葉片是一個(gè)不是導(dǎo)電的黃銅鑄件。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 磁場計(jì)算

磁場計(jì)算可以推廣為求解一些偏微分方程（PDE）。只有當(dāng)PDE與具體問題的特定邊界條件相結(jié)合時(shí)，才能獲得明確的解決方案，解決過程相當(dāng)復(fù)雜。考慮到永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)精度，本文采用有限元方法計(jì)算電機(jī)的電磁場。針對(duì)圖2所示的一對(duì)極點(diǎn)，穩(wěn)態(tài)電磁場的問題可以表示為邊界問題如下：

其中AZ是磁勢(shì)值；J為繞組電流密度；Ω是解決區(qū)域；S2是第二個(gè)邊界，L是電動(dòng)機(jī)中各種介質(zhì)的邊界。

分割單元是高精度的彎曲四邊形，其邊緣可能不是直線。該單元中任何節(jié)點(diǎn)的磁勢(shì)A可以視為單元中四個(gè)節(jié)點(diǎn)的函數(shù)。所以我們可以得到磁電勢(shì)的插值函數(shù)，通過求解方程（1），可以得到，電機(jī)中每個(gè)點(diǎn)的磁勢(shì)，然后可以計(jì)算其磁通密度和相繞電位。

電機(jī)各節(jié)點(diǎn)的磁通密度可以表示為：

電樞線圈邊緣的單導(dǎo)體的單位長度平均電位表示為：

其中Sb是槽的面積。 如果分為n個(gè)單位（N1匝），線圈邊緣的平均電位為：

其中Ief是核心的有效長度，s是單位面積，n，m，j，i是四邊形單位的節(jié)點(diǎn)數(shù)。由于它由線圈的電位組成，每個(gè)繞組的電位為：

從等式（5）可以看出，繞組電位與電機(jī)的電樞和磁場的長度和轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)。

采用邊界滑移法來處理轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并采用疊加法在計(jì)算中來考慮傾斜槽的影響。

3.2 電磁結(jié)論

使用上述方法的計(jì)算結(jié)果如下所示。 圖3是無負(fù)載時(shí)的通量曲線分布。 圖4是氣隙磁通密度。從圖3可以看出，盡管軛非常薄，但是氣隙磁通線是密集的，轉(zhuǎn)子磁軛磁通曲線并不密集。盡管氣隙相當(dāng)寬，但氣隙通量密度超過0.6T。

結(jié)束語：

本文以低噪聲水泵為例，設(shè)計(jì)一款新型寬氣隙永磁電機(jī)，利用有限單元極端電磁場，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電機(jī)的特點(diǎn)如下所示：

（1）氣隙擴(kuò)大至6mm，降低轉(zhuǎn)子與定子之間水流的摩擦阻力。引入Halbach陣列以減小轉(zhuǎn)子的厚度并增加氣隙磁通密度。

（2）反電動(dòng)勢(shì)的波形接近正弦波。電動(dòng)機(jī)電流中的諧波分量及由此引起的損耗很小，盡管電機(jī)由逆變器供電。

（3）電機(jī)在全功率范圍內(nèi)具有高功率因數(shù)。當(dāng)負(fù)載超過50%時(shí)，功率因數(shù)近似為1。

（4）電機(jī)在全功率范圍內(nèi)效率高。電機(jī)滿載時(shí)效率可達(dá)93.66%，遠(yuǎn)高于同功率的普通電機(jī)。

本設(shè)計(jì)在控制成本的基礎(chǔ)之上，以目前現(xiàn)有電機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種低噪聲電機(jī)，旨在為我們的生活帶來更加便捷的服務(wù)。希望本設(shè)計(jì)能在生產(chǎn)生活中真正發(fā)揮作用，并給工程帶來方便。

作者簡介：鄒永順（1996-），男，貴州貴陽人，現(xiàn)本科在讀貴州理工學(xué)院。endprint