关键词：高压异步；电动机；电磁噪声
1 异步电动机电磁噪声产生的原因
三相异步电动机是将电能转换成机械能的专用设备，当三相异步电动机的定子绕组中通入三相对称的正弦电流以后，经过定转子之间的气隙来产生旋转磁场，转子导体将切割磁力线而产生感应电动势。转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。对于异步电动机来说，电磁噪声形成的原因归结为：
(1)气隙空间的磁场是一个旋转力波，它的径向力波使定子和转子发生径向变形和周期性振动，产生了电磁噪声。
(2)气隙磁场中除了电源基波分量外，还有高次谐波分量，高次谐波的径向力波也都分别作用于定转子铁心上，使它们产生径向变形和周期振动，在一般情况下，对高次谐波来说(除r=1外)，电动机转子刚度相对较强，定子铁心的径向变形是主要的，可产生较大的电磁噪声。
(3)定子铁心不同阶次谐波的变形，有不同的固有(自振)频率，当径向力波的频率与铁心的某个固有频率接近或相等时，就会引起“共振”效应。这种情况下，即使径向力波幅值并不大，也会导致铁心变形、周期性振动和产生较大的电磁噪声。
(4)定转子槽都是开口的，气隙磁导在旋转时也是在变化和波动的，气隙磁场中出现了很多在基波磁势作用下产生的“槽开口波”，它们与气隙和槽开口大小有关，气隙越小，槽口越宽，它们的幅值越大。
(5)气隙不均匀会使气隙磁导随转子旋转而周期性地变化，从而产生额外的谐波磁场，如果这些谐波磁场相互作用产生低阶次的电磁径向力，则会产生额外的电磁噪声，叠加在电机原有的噪声上。如气隙不均匀度较严重时，电动机可能会产生较大的噪声而影响其正常运行。异步电动机气隙不均匀是由定子铁心内圆变形或转子表面的非圆柱形引起的偏心、定转子安装不良或轴承磨损引起的偏心而造成的。
电机定子转子结构如图1所示。
图1 电机定子转子结构图
2电磁力的有限元法计算过程
有限元法又称有限单元法，是从变分原理、加权余量法出发，结合模型的剖分单元和所选择的插值函数来建立及求解数理方程的一种离散化得解法。电磁场的有限元分析过程大致如下。
(1)建立问题的变分表述，从待解的磁场边值问题出发，利用变分原理把求解问题转化为能量泛函的极值问题。
(2)将模型剖分，将求解区域划分成若干单元，剖分单元分为三角形和多边形，其节点可以是顶点也可以设为线段中点。
(3)选择插值函数，即将变分问题变为求解数值解问题，用插值函数去逼近磁位函数或其它量值。
(4)将上述插值函数离散化，得到以n个节点为未知数的n阶代数方程组，利用边界条件求解代数方程组。
在电磁场计算中，通过有限元法得到的结果往往是节点的电势或磁势值，因此需要应用所求的电势或磁势值，并结合模型和划分单元推导出如电磁力、电磁场储能、电磁场强度等结论。
3电磁噪声控制技术
3.1径向电磁力波引起的电磁噪声
径向电磁力波是引起电动机振动噪声的主要原因，控制由径向电磁力波引起的振动噪声，可从以下几个方面着手。
(1)定转子开槽及槽配合。多数电动机采用分布式绕组，即将绕组分布于沿气隙圆周的多个槽内，因此定、转子一般具有多个槽。定子或转子采用斜槽，能使径向力波沿电动机轴向发生相位移，使得沿轴向的平均径向力降低，从而减小振动和噪声，为防止附加扭矩产生噪声，一般采用人字形两段斜槽。同时，缩小定、转子槽的开口宽度，或采用闭口槽、采用磁性槽楔，可以减小气隙磁导谐波，从而降低电动机的振动和噪声。另外，从限制电动机的振动和噪声的方面来考虑，应当尽可能地使电动机产生的电磁力波阶数要高，同时远离定子的固有频率，从这两个方面着手来考虑定转子的槽配合。
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(2)磁密及绕组型式。从前文可知，气隙磁场产生的径向力，与磁通密度的二次方成正比关系，降低气隙磁通密度，可有效降低径向力的幅值。而振动的幅值与径向力成正比，声功率近似于振动幅值的平方成正比，当磁密从Ｂ１变为Ｂ２时，声功率级的变化ΔLW可根据式（1）估算。
ΔLW＝LW1－LW2＝401ｇ（B1B2） （1）
式（1）中：
ΔLW为声功率级的变化（ｄＢ）；
LW1、LW2为声功率（ｄＢ）；
B1、B2为磁通密度（Ｔ）。
当气隙磁密减小一半时，声功率级可降低12ｄＢ。与此同时，选择合适的定子绕组极距和短距线圈可降低磁动势波形中谐波含量和力波幅值，从而降低电磁振动及噪声。
(3)增大气隙或设置不均匀气隙。气隙磁场产生的径向力波的幅值，与气隙的二次方成反比，则声功率近似与气隙的四次方成反比，当气隙从δ１增大到δ２时，声功率级的变化可根据式（2）估算。
ΔLW＝LW1－LW2＝401ｇ（δ２δ１） （2）
式（2）中：
δ１、δ２为气隙长度（ｍ）。
增大气隙可有效降低电磁噪声。但是，增大气隙使电动机功率因素降低，空载电流增大，损耗增加，设计中应综合考虑设置合适的气隙值。对于永磁同步电动机，低速时齿槽转矩会引起较大的振动和噪声，通过设置不均匀气隙，能有效改善磁场波形，使齿槽转矩幅值下降。
（4）优化电动机的控制策略。同步永磁电动机常用变频器驱动来进行变转速运行。当定子侧通入电流时，定、转子气隙磁场除产生正弦供电时产生的低频段电磁力波外，还会产生与变频器开关频率相关的高频段电磁力波。这些高频段的电磁力波引起的高频电磁噪声无法通过优化设计电动机本体来解决，主要通过改善变频器的控制策略来抑制高频段电磁力波。同步磁阻电动机通常采用双边凸极结构，即定、转子上具有凸出的磁极，双边凸极结构在相同的尺寸能产生更大的转矩。同步磁阻电动机电磁噪声主要是由径向振动引起，随着转子位置的变化和电流的通断，定子铁芯周期性的收到非线性的径向电磁力，同时换相时带来的转矩脉动也是振动噪声的主要来源。优化电动机结构及调整控制策略是抑制同步磁阻电动机振动、噪声和转矩脉动的主要方式。消除异步电机转差率引起的拍频振动。对于异步感应电动机，转子转速总是低于定子磁场的同步转速，转差率是异步电动机所特有的概念：
ｓ＝（ｎ１－ｎ）／ｎ１（其中ｎ１为同步转速，ｎ为电动机实际转速）。当电动机转子动偏心时，由于定子磁场与转子旋转的角速度不一致，会产生低频的拍频振动和噪声，而且负载越大，拍频振动和噪声越显著。为了消除这种低频振动，对绕线型异步电动机转子，当ｐ≠３ｋ（ｋ＝１，２，３…）时，应使空槽均匀分布，当ｐ＝３ｋ（ｋ＝１，２，３…）时，转子绕组并头不能采用铁芯两端接线法。
3.2切向电磁力波引起的噪声
切向电磁力波是引起单相电动机振动噪声的主要原因之一，可以通过３个方法进行减振降噪设计：尽可能是逆序磁场为零，如调整绕组匝数比，采用电容等，使电动机运行与圆形的旋转磁场；减小磁场谐波分量，主要为３、５、７次谐波磁场；采用弹性连接，减振切向振动向其他部件的传递。
4 结语
异步电动机在运行过程中噪声的产生是由多种因素共同决定的，为了有效的降低噪声，就要对其影响因素进行系统全面的分析，并根据分析结果进行科学合理的设计，进而降低异步电动机所产生的噪声。这些噪声的直接来源都是异步电动机设备，最好的解决方法还是要从自身去找原因，找到问题的所在并提出有效的设计方法，才能尽量减少或避免异步电动机设备不正常噪声存在的可能性。
参考文献
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论文作者:马文奇
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第18期
论文发表时间:2020/3/16
标签：噪声论文; 转子论文; 电磁论文; 电动机论文; 定子论文; 磁场论文; 谐波论文; 《科学与技术》2019年第18期论文;