提高電機功率密度和降低噪聲的途徑和方法

田開峰

摘要 隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，與之而來的環(huán)境污染問題也日漸嚴重，不少產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中并未重視環(huán)保問題。探索節(jié)能減排、具有生態(tài)環(huán)保意識的新經(jīng)濟發(fā)展模式成為社會各界關(guān)注的話題。電機制造企業(yè)也深耕技術(shù)研發(fā)，研究高效率、高功率密度、低噪聲的現(xiàn)代化設(shè)備。本課題對如何提升電機功率密度，以及降低點擊噪聲的途徑與方法進行探索，提出具有可操作性的相關(guān)策略。

【關(guān)鍵詞】電機 功率 噪聲

數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，自上世紀九十年代起，包括西門子、東芝、三菱在內(nèi)全球知名的電機制造巨頭所制造的高壓電動機，其功率范圍介于355KW至11700KW之間，電壓介于6KV至10KV之間，極數(shù)介于2極至12極之間，相比國內(nèi)發(fā)電機低2至3個中心高，輕30%至50%，即功率密度高出一半左右，少數(shù)先進高壓發(fā)電機的功率密度甚至比國內(nèi)通用產(chǎn)品高出一倍以上;在高功率檔中，功率與國內(nèi)發(fā)電機相差不大，但在運行過程中的噪聲要低不少。尤其是西門子和ABB所生產(chǎn)的電機，效率和功率因素指標顯示在75%負載時，即能實現(xiàn)較高效率，而國內(nèi)僅有少數(shù)高效電動機能做到這一點，這使得西門子和ABB所生產(chǎn)的電機在工業(yè)制造中更具有實踐優(yōu)勢。全球知名電機制造巨頭的絕緣技術(shù)、通風散熱技術(shù)、高性能材料技術(shù)在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先定位，因此這些企業(yè)所生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有較強的市場競爭力。

1 實現(xiàn)電機高效高功率密度的途徑

1.1 薄而可靠的絕緣系統(tǒng)提升電機功率密度

絕緣厚度直接決定了電機體積大小，在生產(chǎn)過程中，絕緣厚度降低，能夠有效減小電機體積、減輕電機重量，從而使得功率密度得以提升。匝間絕緣減薄能夠大幅提升槽滿率，進而提升電動機的運作效率。例如西門子公司在產(chǎn)品制造中，對匝間絕緣以及單邊對地絕緣的有著嚴格要求，例如6KV匝間絕緣厚度不得超過0.3毫米，而國內(nèi)這一標準為04毫米，單邊對地絕緣厚度不得超過1.04毫米，而國內(nèi)這一標準為1.3毫米;10KV匝間絕緣的厚度不得超過0.45毫米，而國內(nèi)這一標準為0.5毫米，單邊對地絕緣厚度不得超過2.0毫米，而國內(nèi)這一標準為2.5毫米。

1.2 優(yōu)化通風散熱，提升冷卻效率

提升電機功率密度的關(guān)鍵，在于提升電機的通風散熱性能。科學的內(nèi)風路結(jié)構(gòu)能夠提升內(nèi)風路冷卻風量和內(nèi)風資源分配，進而有效提高冷卻效率。電機產(chǎn)品在設(shè)計研發(fā)中，需要重點關(guān)注徑向通風道、繞組端部冷卻風道和內(nèi)風扇的設(shè)計，使得冷卻器能夠同時從屬于內(nèi)風路系統(tǒng)和外風路系統(tǒng)，進而切實降低內(nèi)風風阻，實現(xiàn)外風壓降，提升散熱性能提高。除此之外還要進一步完善外風路系統(tǒng)，提升產(chǎn)品的通風散熱水平，并使得噪聲得到切實降低，提升產(chǎn)品的工作效率。

1.3 優(yōu)化電磁設(shè)計，優(yōu)選高性能材料，減少電機損耗

減少電機損耗，能夠有效減少電機發(fā)熱，使得電機使用效率上升，鐵耗、雜散損耗和機械損耗是電機的三大主要損耗。科學分配三大損耗，將電機在處于75%負載時效率最高，需要減少不變損耗占比，提升可變損耗占比，即降低鐵耗、機械損耗在總損耗中的比例，提升定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗在總損耗中的比例。具體方法包括：選用更為優(yōu)質(zhì)的銅材料，以降低銅耗;選用導磁性更高的硅鋼片，減少鐵耗;科學運用槽形或線圈端部結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鐵心工藝、減少沖片毛刺等方法，減少雜散損耗;提升風扇效率，減少機械損耗等。

1.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)，能夠切實提升產(chǎn)品的通用性與互換性，尤其是新型機座、定子相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，直接決定產(chǎn)品競爭力提升。降低電機中心高，不光減小定子、轉(zhuǎn)子外徑同比例，也要對機座、定子結(jié)構(gòu)作出優(yōu)化設(shè)計。探索電機機座、定子的機械應(yīng)力、振動模態(tài)、固有頻率，對轉(zhuǎn)子剛度、變形量進行反復論證，在電機可靠性不變的基礎(chǔ)上，減低結(jié)構(gòu)件材料使用量。

2 實現(xiàn)電機低噪聲的途徑

2.1 降低電磁噪聲

實踐證明，電機定子、轉(zhuǎn)子不同的槽配合，以及電子繞組的節(jié)距不一，會導致頻率、諧波出現(xiàn)差異，進而對電磁噪聲造成影響，由此可見科學的槽配合和電子繞組節(jié)距，能夠有效降低危險諧波幅值，進而使得電機頻率與激振頻率相去甚遠，實現(xiàn)減輕電磁噪聲的目的。實驗表明，氣隙偏心率、繞組中并聯(lián)支路接線方式，也能夠影響電磁噪聲的強弱，因此在產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)制造中，同樣要進行關(guān)注。

2.2 降低通風噪聲

優(yōu)化內(nèi)外風路風扇，能夠在實現(xiàn)通風散熱目標的同時，減少通風噪聲。通風噪聲和風扇外徑尺寸之間存在正相關(guān)關(guān)系，風扇效率包括流動、容積、內(nèi)部機械三方面，選用效率優(yōu)異的風扇型式，能夠降低風扇大小。并通過技術(shù)模擬，在確保通風散熱標準符合的基礎(chǔ)上，盡可能選擇尺寸較小的風扇外徑，進而有效降低通風噪聲。影響通風噪聲強弱的因素還包括冷風風路結(jié)構(gòu)，尤其是外冷風風路，可以在風扇通風口增加集流器和擴散期，減少風量損失選用蝸殼形式的材料，減少風罩流動;保障通風順暢，減少風量進出過程中的渦流噪聲。

3 結(jié)語

隨著時間的推移，國內(nèi)電機生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)研發(fā)、原材料運用不斷進步，使得我國電機產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、國際化進程得以加速推廣，現(xiàn)階段國內(nèi)不少電機生產(chǎn)企業(yè)在積極學習和借鑒國際先進技術(shù)的同時，結(jié)合企業(yè)實際情況，生產(chǎn)出具有高附加值的先進電動機，有力推動我國高壓三相異步電動機生產(chǎn)水準提升。下一階段，應(yīng)致力于提升電機功率密度和降低噪聲研究，以進一步提高我國電機產(chǎn)品的市場核心競爭力。

參考文獻

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