摘 要：本文以电机振动噪声产生原理为依据，总结各类电机振动噪声产生机理及振动类型，列举现在国内外对电机振动噪声研究测试方法，总结对风轮、电机等重要组件隔离测试分析方法，阐述电机振动噪声控制策略。本文目的在于总结电机振动现有研究方法，探索风电机组电机振动噪声对输出电能质量的影响，结合相关领域提出适应风电机组的抑制电机振动噪声的优化方案，为后续解决风电机组振动噪声影响以及评价振动噪声对输出电能质量影响奠定基础。
关键词：振动；噪声；小型风力发电机组；电能质量；电机
0 引言
风力发电作为最主要的新能源之一，保障风电输出优质电能质量，探索风力机组电能质量的影响因素尤其重要。风自身的随机性、间歇性、强波动性及湍流等气动因素会导致风力机机组各部分重要组件振动，进一步造成风电机组发电不稳定，进而造成输出电压和功率产生波动，但现有研究多集中在对流场结构场的影响，鲜有研究电机振动噪声对机组输出电能质量的影响，机组实际运行中电机产生的振动噪声对机组运行安全以及输出电能质量优劣的影响不可忽视，低频振动引起的电机共振将严重影响电能质量和设备使用寿命。
1 风电机组振动噪声产生根源
1.1 风电机组机械结构振动分析
风电机组产生振动噪声首要原因是电机振动以及空气动力学振动。Arrigan J为了降低叶片挥舞方向的振动在文献[1]中使用了一种能够半主动控制的调质阻尼器来实现。Staino A则是通过外加一种主动控制器的方式，实现叶片弦向振动的抑制。Basu B通过对多体动力学采取仿真的方法，比较前期仿真结果，研究得到实际尺寸风机的各阶模态。任彦忠等学者通过实验的方法验证有限元分析的可行性，实验为了获取塔架的固有频率，将加速度传感器安置在塔顶，测出了塔架的固有频率，实验结果证实模拟结果较为有效[2]。何玉林，宋新甫等施加反相转矩波动抑制了传动链转矩振动，解决齿轮箱中较小的传动链阻尼引发的转矩振动较大的不利影响。
1.2 电机振动噪声分析
电机产生振动噪声有多种因素，电流分布的变化作为反映出的直观变化，会造成作用力的谐波分量发生变化，定子铁芯存在一个固有振荡频率，当谐波分量的频率与前者的达到近似共同频率时，会产生共振现象；发电机产生不对称负载时，会出现作为影响电能质量的重要指标负序电流，由于引发的不利的交变力矩的作用，对电机振动影响作用较大。定子绕组在定子铁芯槽内受到多种机械力作用，线棒通过电流时，产生100 Hz的交变电磁力，若线棒固定不好导致向槽壁压紧时会产生共振[3]。
国内外学者从不同角度对电机振动噪声展开研究，诸自强教授在文献[4]中研究了转子上的不平衡磁拉力的特性指出电机的不平衡磁拉力与齿槽配合有密切关系。花纯利等给出了一种解析计算电磁振动方法对转子系统振动特性演化规律进行研究[5]；王川在文献中提到有学者发现径向力是导致电机振动和噪声的原因，脉动转矩对此影响没有前者重要。
美国学者Rakib Islam发现永磁同步电机径向力引起的电磁振动是造成电机振动噪声的根本原因，并采用抑制齿槽转矩达到减低齿谐波的目的；GIERAS JF为了获得极槽以及极槽电机的电磁噪声，运用解析法得到计算结果，结果证明由于阶力波的产生，具有较小齿槽转矩的极槽电机产生的振动噪声是较大的。韩国学者Hong-SK总结了几种电磁振动来源：齿槽转矩、转矩脉动和径向力波其中最重要的是径向力波；韩国学者Tao Sun分析比较了极槽和极槽两种极槽配合的内置式永磁同步电机的齿槽转矩和径向力。Rakib Islam在文献[1]中为分析电机气隙磁场引入有限元法，通过一系列解析计算获得电磁力以及气隙磁场的分布情况。
2 风电机组振动噪声测量技术
风电机组在与其他机械设备一样，当处于启停及复杂负荷情况等于设计工况不一致时，叶片容易产生不同程度的疲劳损伤，其中离心力以及叶片受到的各种激励导致这样的结果。
为保证风电机组安全可靠运行，采用监测方式主要有接触式测量和非接触式测量两种，其中接触式测量具有明显的不足，在一个固有的时间区间内获得的叶片测试信息有限,对测量结果影响较大，故主要介绍非接触式测量方法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆非接触测量技术应用比较广泛且涉及领域较广，采取了传感测试技术、计算机术等多种先进的技术手段，承接了信号处理、电子技术等多个相关技术分支的科研成果. 学者杨光海为了滤除掉测量信号中的非共振信号在文献[1]采用声发射多普勒技术监测叶片振动信号,为了获得满意的处理结果，其在后处理过程引入多带式滤波器，获得所需的共振信号；王宇华、吴士祥等学者采用电磁测量频率调制法进行涡轮机叶片振动的非接触式测量,导出信号后，为得出叶片的振动强度，将调解成叶片的振动信号并进行分析；谢志江等学者以叶轮机叶片为诊断对象采取叶间动态间距诊断法实施，为监测叶片故障提供新思路；
3. 电机振动噪声控制策略
电机振动噪声主要由于定子结构以及槽型决定，优化定子结构有助于控制振动噪声对电机造成的不利影响，从电机的定子转子的形状规划以及外形尺寸等方面进行研究，具体包括定子齿槽形状、外径以及轭等参数，研究发现以上因素对其转矩波动具有较大影响，进一步可能引起电机噪声。
综合国内外研究，总结了控制振动噪声的方法。大多从电机机械结构以及优化电枢电流两方面考虑，有助于降低永磁同步电机振动噪声。Jang G H为了达到减小电机振动的目的，在文献中提出一种从磁钢形状入手，对表面贴式永磁同步电机磁钢边缘进行重新设计，这种优化方式对电磁力谐波频率的提高具有显著效果，本方法考虑到高频振动较低频振动更难于传输。Lee S H以内嵌式永磁同步电机为实验对象，对电机定转子机械结构进行优化，结果表明气隙磁场谐波显著降低且定子刚度有一定增加，电机的振动和噪声相应减少[6]。Zhu W在文献中从电磁转矩以及径向力两方面研究电机的电磁振动问题，通过一种新方法优化电枢电流降低径向力和电磁转矩，未来可以进一步分析二者对电机振动的影响[1]。陈磊等将电机绕组不同分数槽为研究对象做对比试验，选取10极9槽和8极9槽两种电机，发现前者振动较小。杨浩东在文献中主要以不同电机槽的差异进行对比实验，详细分析了不同组实验对象径向力的振动模数，在同样极数下，分数槽绕组输出的电磁力模数更低，电磁力是电机的振动和噪声的主要原因，从结构进一步分析发现槽对振动噪声的影响；进一步研究分数槽永磁同步电机，实验发现有一种，在振动模数最小时产生，需要将一定的补偿电流注入到电枢绕组来抵消空间力谐波的影响，达到降低电机的电磁振动的目的。
哈尔滨工业大学王加春主要研究主动控制对电机振动的影响情况，主要从整机角度出发以及转子侧相关振动展开研究，概述了整机振动主动控制的发展情况，对于转子侧现有控制技术作出较为全面的归纳，在此基础上又简要介绍了其他常见的主动控制方法，同时在其他机械工程领域的具体使用现状文章也做出了基本阐述[7]。
为削弱开关磁阻电机的电磁振动，山东大学张鑫在文中介绍了一种具有简单结构新型转子齿形，其具有较低的生产改造成本，目的在于获得较小的径向力波，需要改变转子表面磁密方向，削弱转子表面的径向磁密，在设计中通过在转子齿两侧位置开槽来实现[8]。
4 结论
本文从电机振动噪声产生机理出发，分析了风电机组各机构及整机产生振动噪声的原因及影响因素，对其他相关流体机械产生的振动噪声情况也做出来分析；对国内外学者在振动噪声控制技术上开展的研究成果进行总结，提供可参考的优化电机振动对输出功率影响的优化设计方案，为日后分析振动噪声对风电机组输出电能质量的影响打下基础。
参考文献:
[1]Arrigan J， Pakrashi V， Basu B， et al. Control of flapwise vibrations in wind turbine blades using semi‐active tuned mass dampers[J]. Structural Control & Health Monitoring， 2011， 18(8):840-851.
[2]任彦忠，王川. 某风电场风力发电机组振动故障探究[J]. 中国电力， 2011，44(3):86-89.
[3]陈磊，高宏伟，柴凤等. 小型无刷直流电动机振动与噪声的研究[J]. 中国电机工程学报， 2006， 26(24):148-152.
[4]诸自强，刘旭 潘再平. 新型可变磁通磁阻电机振动和噪声研究与开关磁阻电机的比较(英文)[J]. 电工技术学报， 2013， 28(11):9-18.
[5]花纯利, 曹国华, 冯世哲,等. 转子系统振动特性演化规律研究[J]. 噪声与振动控制, 2017, 37(2):1-6.
[6]Lee S H， Hong J P， Hwang S M， et al. Optimal Design for Noise Reduction in Interior Permanent-Magnet Motor[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2009， 45(6):1954-1960.
[7]王加春，李旦. 机械振动主动控制技术的研究现状和发展综述[J]. 机械强度， 2001， 23(2):156-160.
[8]张鑫，王秀和，杨玉波，等. 基于转子齿两侧开槽的开关磁阻电机振动抑制方法研究[J]. 中国电机工程学报， 2015， 35(6):1508-1515.
论文作者:彭海伦
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/27
标签：电机论文; 噪声论文; 转矩论文; 机组论文; 转子论文; 电磁论文; 叶片论文; 《电力设备》2017年第23期论文;