大中型同步電動機的噪聲分析及抑制探討

胥睿

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

在機電系統中，電動機是不容忽視的重要設備。以今年電動機的應用狀況看，永磁電動機具有結構簡單、運行穩定，并且功率密度大、功率因數高等諸多優點，因此在航空航天、國防、工農業生產領域，甚至日常生活領域中都得到了廣泛的應用。對于永磁電動機而言，其振動以及噪聲是設備出廠的重要指標之一，同時此類指標在當前階段，也成為我國諸多產品無法有效打開國際市場的重要影響因素。因此面向永磁同步電動機的改善與進化的領域中，控制其噪聲和振動已成為電動機發展歷程中的重要課題，對于各領域的應用都有積極的推進作用。

在永磁電動機的領域中，同步電動機與異步電動機從技術構成、相關特征一直到應用領域都有所差異。同步電動機具有可以調節的功率因數，因此在不對調速有要求的應用環境中，大型同步電動機的應用引入能夠有效提升整體的運行效率，但是成本偏高成為同步電動機難以克服的缺點。雖然如此，同步電動機仍然在實際生活中有著廣泛的應用，發電機、電動機以及電網環境中的同步補償設備，通常都由同步電動機來充當。實際工作中，同步電動機可以通過展開對于勵磁電流的調節，實現其超前功率因數下的運行，因此尤其對于改善電網功率因數有著積極價值。大型的電動機通常會應用于大型鼓風、水泵、軋鋼等環境中，并且也會用作球磨機以及壓縮機等。

對于同步電動機噪聲的控制，首先應當對噪聲的形成展開必要的剖析。依據其產生機理，可以將永磁同步電動機的噪聲劃分為3種，即電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲。其中，電磁噪聲是同步電動機噪聲的最為突出的來源，主要是因為電動機在運行過程中，電動機氣隙磁場作用于電機鐵芯產生的電磁力，從而激發電磁振動。在同步電動機的工作過程中，定子與轉子的合成磁動勢以及氣隙磁導均會影響到電動機的氣隙磁場，并且考慮到氣隙磁密波的作用，在定子鐵芯上產生的電磁力可以進一步分析出切向以及徑向2個分量，其中后者會造成定子鐵芯發生振動變形，并且形成電磁噪聲。

其次，機械噪聲在電動機的工作過程中同樣不容忽視。形成的這一部分噪聲，主要來源于機械運行過程中不同組件造成的摩擦，如果在電動機構件或者設計中存在不平衡因素，就更容易造成機械噪聲。從更加微觀的層面看，機械噪聲與電動機構件所選用的材料、制造的工藝與精度，以及電動機的裝配水平等方面，都保持著密切關系，并且機械噪聲在一定程度上標志著電動機內部組件之間的配合程度，噪聲越大，對應的在機械運動中所帶給不同組件的影響和損耗也就越大，因此不容忽視。

最后，同步電動機的空氣動力噪聲也不容忽視，這是由電機內的冷卻風扇產生的噪聲。電動機在運行過程中必然會產生熱量，為了保證其正常運行，通常需要為電動機配備通風系統，需要多安裝風扇，并且在電動機外殼上配備對應的進風口，這就必然會因為風扇的運行而帶來一定的噪聲。此外，高速運轉的凸極式永磁同步電動機中，其轉子成為電機內部冷卻的“風扇”，在電機旋轉時，會產生較強的空氣動力噪聲。

在對同步電動機噪聲的影響因素以及主要來源有所深刻認識的情況下，展開具有一定針對性的噪聲控制討論，幫助實現對于同步電動機的性能進行整體優化。對于同步電動機而言，雖然機械噪聲和空氣動力噪聲同樣不容忽視，但是并未占據噪聲構成的主要因素。在電動機機械構成中，多采用滑動軸承，其噪聲比較有限；并且在電刷勵磁同步電動機中，電刷所產生的機械摩擦，可以通過安裝時對電刷進行加強固定，避免電刷安裝后出現偏心或者受力不均的狀況，實現對電刷裝置機械噪聲的控制。此外，加強對電動機基座的固定、降低軸系不平衡振動、優化聯軸器和集電環的噪聲防護等，對于有效控制電動機的機械噪聲均有不容忽視的意義。而對于空氣動力噪聲而言，其多來源于扇葉以及風壓，則可以通過深入考察電動機在工作狀態時的溫度情況，減少扇葉直徑，并且優化扇葉形狀，采用后傾式風扇或者軸流式風扇，從而實現對風量和風壓的優化，控制空氣動力噪聲，必要時可以引入隔音罩。

永磁同步電動機在運行的過程中，定子與轉子間的氣隙空間會形成一個磁場，其中的電磁力呈現出交變特征，并且該磁場中除了主磁通，還存在諸多諧波分量，多方面因素共同成為產生電動機電磁噪聲的原因。因此在電動機工作的微觀環境中，單位面積上徑向力的瞬間值可以用式（1）表示。

式（1）中，b表示氣隙中距離坐標軸圓周角θ的點于時間t的氣隙磁密值，其中μ0為空氣磁導率。該式表示徑向力波的幅值與定子以及轉子氣隙磁密之間的正比關系，并且也可以從式中看出，降低定子以及轉子諧波磁場的幅值和次數，對于減小徑向力波，進一步降低同步電動機的噪聲有著積極價值。實際工作中，對于噪聲的控制有很多途徑，限于篇幅原因，僅在此討論2種比較常見的方法。

1 選用正弦繞組

同步電動機的定子繞組采用正弦繞組，能夠在氣隙中獲取正弦分布電勢，促使電動機氣隙磁勢接近正弦，對高次諧波實現有效控制。對于正弦繞組而言，可以采用延邊三角形和星形-三角形2種方式實現聯結，但是由于后者相對而言比較容易產生環流，因此并不常見，而延邊三角形相對則更多出現在復雜的應用環境中。其結構見圖1。

圖1 延邊三角形繞組示意圖

在圖1所示框架之下，星形連接和三角形連接會分別產生各自的磁場，共同疊加形成電動機環境中的磁場。則可以依據磁動勢合成理論，推導出正弦繞組基波合成磁動勢以及v次諧波磁動勢，具體參見公式2、3。

式中，角標Y以及△分別用于標記星形以及三角形的繞組屬性，ΦN表示對應情況下的每相串聯匝數，而K則表示對應的繞組系數。進一步確定出對應的N以及K值，并且代入電動機磁場表達式，可以獲取到正弦繞組的等效分布系數及每相串聯等效匝數，并且通過調整相關參數，來實現電動機噪聲的控制。

2 增大氣隙

如果同步電動機具有長為δ的均勻氣隙，則對應的磁通密度波可以用公式4來表達，而不同氣隙磁通密度波的相互作用徑向力波則可以用公式5表示。

因此可以看出，理想情況下磁通密度波和徑向力波與氣隙長度保持正相關，并且進一步考慮到機械振幅值Aγ與力波保持正比，其平方與輻射的聲功率保持正比，則通過推導見公式6。

也就是當氣隙增加時，對應的聲功率會有所降低，如式7。

由此可見，增加氣隙有利于控制噪聲，但是也應當注意電動機的功率因數會因此而降低，導致空載電流增加，對應的損耗增加。因此，控制過程中必須謹慎選擇。

參考文獻：

[1]付增．開關磁阻電機的噪聲分析與控制方法研究[M]．山東理工大學碩士論文，2006．

[2]王秀和等．永磁電機[M]．北京:中國電力出版社,2007．