降低異步電動機通風噪聲的方法研究

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(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

電機噪聲中通風噪聲是噪聲源的主要構成之一，而通風噪聲又主要由風扇噪聲所引起，它屬于空氣動力噪聲。影響通風噪聲的因素很多，如風扇結構型式、風扇的寬徑比、風葉間距、葉片數、風扇轉速、通風道結構及通風效率等。本文主要研究抑制聲源的方法以及消除聲音傳播途徑的方法。

1 從抑制聲源方面降低通風噪聲措施

降低電機通風噪聲主要從抑制聲源及消聲兩方面采取措施。抑制聲源從選擇合適的風扇類型及尺寸著手。而消聲就要去盡量按空氣動力學合理地設計風路。下面結合理論與實踐經驗對這兩方面進行詳細說明。

電機通風噪聲主要是風扇和轉子旋轉時所產生，其中以風扇噪聲為主。風扇噪聲是風葉周速、輸出流量、壓力和效率的函數，其中周速的影響最大。研究表明，在風扇的最高效率范圍內，噪聲具有最小值。噪聲功率可以表示為

(1)

式中，k—系數，與風葉型式及風阻有關，表示噪聲功率所占比例；η—風葉的空氣動力學效率；Q—風量，m3/s；H—風壓，Pa。

在風葉幾何形狀相似的風機中，已知一臺風機的噪聲功率LW0,風量Q0,風壓H0,效率η0，估算另一臺對應參數為Q、H、的風機噪聲LW時，得

(2)

在幾何形狀相似的風扇中，風量Q和風壓H與風扇參數的關系為

Q∞D3nb

(3)

H∞D2n2

(4)

W∞D7n5b

(5)

相似風扇噪聲估算公式

(6)

式中，D、b、n—風葉外徑、寬度及轉速。

按以上公式計算可得出下述結果：風扇外徑D減小10%，噪聲降低3dB(A)；轉速n減少10%，噪聲降低2dB(A)；寬度b減少10%，噪聲降低0.4dB(A)；效率η從0.3提高到0.4,噪聲可降低1.9dB(A)。由此可見，減小風扇直徑對降低噪聲影響最大。

(1)風扇外徑優化

在設計電機時，為了縮小電機尺寸和降低電機重量，為提高材料的利用率，一般增加風扇的流量，增大風扇的直徑，以降低電機的溫升，所以減小通風噪聲和提高電機材料的利用率是相互制約的。設計時，應在保證溫升不超過規定的限度，并留有適當裕度的條件下，合理地選擇風扇和通風系統中各個部分的結構形式，并盡可能縮小風扇直徑。這樣不僅能減小通風噪聲，而且還相應減少通風損耗和提高電機效率。結合市場訂貨，縮小外風扇風葉外徑及寬度，進行樣機試驗，具體對比試驗見表1。

通過表1對比發現，在溫升不超過規定的限度(80K)，縮小外風扇直徑及寬度，能降低電機噪聲并提高電機效率。此方案優點：節約材料、提高電機效率；缺點：增加電機溫升。

表1 縮小外風扇電機性能及噪聲對照表

(2)風扇葉優化

葉片是風扇上向流體傳遞能量的唯一零件，是離心式風扇的主要部分。根據葉片出口角不同，離心式風扇葉片可分為前傾式葉片、徑向式葉片和后傾式葉片三種。如圖1所示，當葉片出口角β2≥90°時，為前傾式；當葉片出口角β2=90°時，為徑向式；當葉片出口角β2<90°時，為后傾式。

圖1 前傾、徑向、后傾葉片示意圖

根據葉片形狀不同，可分為圓弧形葉片和平板形葉片兩種。由于形狀不同，離心式風扇的性能也不同，使用場合也不一樣，一般大中型電機上使用的離心式風扇主要有圖2中所示的四種型式。

圖2 后傾式不同葉片離心式風扇示意圖

圖2(a)為平板形徑向葉片風扇，這種風扇制造工藝最簡單，而且適于雙向旋轉，當氣流進入葉片流道時有較大沖擊，流動損失較大，效率低，并會產生較大的噪聲。

圖2(b)為平板形后傾葉片風扇，這種風扇進口氣流損失較小，但流道中流動損失較大，效率也不高。

圖2(c)為圓弧形后傾葉片風扇，這種風扇流動損失小、效率高，運轉時噪聲也低，但葉片制造工藝復雜，成本高。

圖2(d)為圓弧形前傾葉片風扇，在相同外徑的情況下，這種風扇產生的風壓最高，但損耗大，效率低，常用于風阻大，風壓要求高的電機上。

對風扇噪聲時，選擇葉片形式的原則為：后傾葉片風扇噪聲較低，前傾葉片風扇噪聲較高，徑向葉片風扇噪聲居中，而圓弧形葉片產生的噪聲要比平直葉片低。在風扇葉優化時，我們采用后傾式圓弧葉片，見圖2(c)所示。

離心式風扇及葉片的主要結構參數如圖3所示。

圖3 離心風扇及葉片

后傾式葉片按下列關系確定

(7)

(8)

選擇葉片進口安裝角β1時，主要考慮風扇的風壓和工作效率。對于后傾式風扇，由于葉道內流動損失較小，因此β1的選擇應使風扇葉片進口沖擊損失為最小，一般β1=15°～35°。

葉片出口角β2的選擇與風扇的性能、尺寸和噪聲等關系較大，因此選擇β2時要綜合考慮各方面的影響。對于后傾式風扇為了獲得較高效率，一般取β2=30°～50°。

以YKK 500-4 1600kW電機為例，對其外風扇風葉進行優化，設計圓弧形后傾葉片風扇，具體如圖4所示，其與平板形后傾葉片風扇對比結果見表2。

圖4 圓弧形后傾葉片風扇

表2 圓弧形后傾風扇與平板形后傾風扇噪聲及性能對比

通過表2分析，外風扇設計成圓弧形后傾葉片風扇，噪聲變小，風量變大，電機溫升降低，效果明顯。

2 從傳播方面降低通風噪聲措施

如果從聲源方面還不能控制通風噪聲時，就要采用消聲的方法。消音罩是用于氣流通道中，在保證氣流通過的同時，能阻止或減弱聲能傳播使噪聲降低的一種裝置。

消音罩一般分為阻式、抗式和阻抗復合式三種。一般阻式消音罩用在電機上，阻式消音罩是在管道內用多孔材料覆蓋壁面來消耗聲音的能量。它的消聲性能相似于電路中的電阻消耗電能，這種消音罩對低頻效果較差，而對中頻噪聲有較好的消聲效果。對于電機的通風噪聲，特別笛聲，有很好的降噪效果。

阻式消音罩的消聲量與所用材料的吸聲系數α，通風道的長度l，及通風道噪聲吸收壁的周邊長U,通風道橫截面積A有關，可用下式表示

(9)

從式(9)可以看出，消音罩長度越大，橫截面越小、周邊長越大、材料吸聲系數越大，則它降低噪聲效果越好。

吸聲材料是消音罩重要組成部分，吸聲材料的選擇和填充是消聲體效率的關鍵。超細玻璃棉因吸聲系數大、質輕、柔軟、密度小、耐熱、耐腐蝕等優點，所以目前大多數消音罩吸聲材料都采用超細玻璃棉，本次研究中，消音罩吸聲材料也采用超細玻璃棉。

吸聲材料護面結構選擇：阻性消音罩是在氣流流動工作的，所以吸聲材料要用牢固的護面結構固定。

根據電機氣流速度我們選擇穿孔率大于20%的穿孔板，不僅能滿足牢固的護面結構優點，還能提高消音罩吸聲系數、特別是降低低頻段噪聲，所以吸聲材料護面結構選擇了大于20%穿孔板。

如果從聲源方面還不能控制通風噪聲時，就要采用消聲的方法。消音罩是用于氣流通道中，在保證氣流通過的同時，能阻止或減弱聲能傳播使噪聲降低的一種裝置。

(1)進風口加消音罩

方案一：電機進風口處加消音罩，如圖5所示。消音罩為罩板側面進風，避開測量點，并經過導風板后，進入電機內部。

方案二：在方案一的基礎上進行改進，增加吸聲系數較高并對高頻有極好的吸聲高頻失效尖劈，如圖5所示。由于增加了高頻失效尖劈，風阻減小，風路更順暢。

方案三：在方案二的基礎上進行改進，增加吸聲系數較高并對高頻有極好的吸聲高頻失效尖劈, 如圖5所示。

圖5 進風口消音罩方案

三種方案噪聲降低對比見表3。

表3 進風口加消音罩三種方案電機噪聲降低對比

(2)出風口加消音罩

方案一：在YKK方箱電機冷卻器出風口處增加消音罩，具體結構如圖6所示。

圖6 進風口消音罩

方案二：在方案一的基礎上，增加吸聲系數較高并對高頻有極好的吸聲高頻失效尖劈，即對高頻有較好的消聲，也增加了消聲面積，如圖7所示。

圖7 進風口消音罩優化

此兩種結構出風消音罩，分別在YKK 500-4 1600kW、YKK 355-4 450kW電機做試驗，具體見表4。降低效果也不是特別明顯。

表4 出風口加消音罩兩種方案電機噪聲降低對比

3 結語

降低異步電動機通風噪聲可從抑制聲源和改善通風路徑兩個方面入手。實踐證明：

(1)從抑制聲源考慮，軸流式風扇優于離心式風扇，離心式風扇中又以后傾式為好。在滿足溫升的要求下，減小風扇直徑和風扇葉寬度降低噪聲的效果顯著。

(2)改善通風路徑可按空氣動力學原理合理地設計風路。電機的進、出風口、風罩、擋風板、散熱片以及風扇的葉片形狀等都要按空氣動力學原理設計。障礙物表面盡量設計成流線型，減少風阻。在電機進風口或出風口增加消音罩的方法降低噪聲有一定效果。