科学瞎想系列之一一九 NVH那些事(19)

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前面讲了振动噪声的产生及诊断，接下来讲减振降噪的措施和方法。关于减振降噪措施包括三个阶段的内容：一是电机还没做，在设计阶段采取措施，俗话说，产品性能是设计和制造出来的，其中设计决定了产品性能的根本，只有在设计阶段采取有效措施才能从根本上保证将来做出的电机产品在振动噪声方面性能优异；二是制造阶段，制造是产品实现的重要环节，只有在制造工艺过程中严格保证设计要求才能正在把好的设计变成现实，否则再好的设计也只是纸上谈兵；三是电机已经制造完成，在出厂试验或使用过程中出现振动噪声问题的解决措施，这是一种事后补救、亡羊补牢的措施。本期先讲第一种情况在设计过程中的减振降噪措施，后面两个阶段的措施留待下期介绍。 1 设计过程中降低电磁振动噪声的措施 电磁振动是电机振动噪声的主要振动源，从源头降低力波的幅值和消除某些频率的振源是减振降噪的有效手段。从激振角度降低电磁振动噪声的主要措施包括： 1.1 选择合适的槽配合和极槽配合 对于异步电机，定转子的槽配合对电磁噪声影响极大；对于同步电机，极槽配合则是电磁振动噪声的主要影响因素。因此对异步电机选择合适的定转子槽配合、对同步电机选择合适的极槽配合是降低电磁噪声的有效措施。 1.1.1 异步电机的槽配合 异步电机的槽配合不仅影响振动噪声，还与异步附加转矩、附加同步转矩有关，从而影响电机的起动性能和运行性能，即使是仅就振动噪声方面的影响，同样的槽配合对起动过程、正常运行过程、电磁制动过程、正反转运行等不同的运行工况影响也是不一样的；另外同样的槽配合斜槽与否、斜槽角度不同以及斜槽方式不同对各种工况下的振动噪声的影响也不同；电机结构、尺寸不同，槽配合对振动噪声的影响也不同。因此对异步电机槽配合的选择，不存在大小上下通吃，无论大电机、小电机、起动、空载、反转、电磁制动、正常运行等各种情况都适用的最佳槽配合，必须根据实际情况统筹兼顾，不能片面追求某一个方面的性能。关于异步电机的定转子槽配合应遵循以下原则： 原则Ⅰ：为了减小附加损耗，应采用少槽近槽配合，即定转子槽数尽量接近，但不能相等，而且转子槽数尽量小于定子槽数。 原则Ⅱ：为了避免在起动过程中产生较强的异步附加转矩，应使Z2≤1.25(Z1+p)，其中Z1、Z2分别为定转子槽数；p为极对数。 原则Ⅲ：为了避免在起动和运行过程中产生较强的同步附加转矩和振动噪声，应尽量避免下表1所列的槽配合。

表1所列的槽配合虽然应尽量避免，但并非绝对不能采用，如前所述，电机的电磁振动噪声影响因素很多，除了与槽配合有关还与电机的结构、绕组形式、运行工况等因素有关，如对于具体产品不存在的某些工况，如反转工况、电磁制动工况或对起动过程中的振动噪声要求不严格的电机，可以不予考虑相应的槽配合禁忌。但由于定转子一阶齿谐波相对来讲是最强的，当定转子一阶齿谐波相差为1时，最容易产生强烈的振动噪声，因此还是应该特别注意要回避表1中的第一列槽配合。 由于本文主要是说槽配合对振动噪声的影响，因此关于槽配合对其他性能(如起动性能)不做赘述，只从降低振动噪声方面来论述槽配合的影响。仅对减振降噪而言，异步电机的槽配合选择应主要考虑两个方面：一是使电机产生的主要力波阶次尽可能高；二是力波的频率必须远离定子固有频率。一般来讲，对于大电机定子的固有频率大概在100Hz附近，而小电机的定子固有频率较高，大概在数千赫兹附近，因此对于不同的电机应该根据其定子的固有频率选择合适的槽配合，使其力波频率远离定子固有频率，以免与定子发生共振。总之，关于异步电机定转子槽配合受多种因素制约，除了上述理论上的分析结论外，最主要的还是要经过实践检验，尽量选择以往经过实践检验证明是成熟的槽配合。为此本文把国内外文献中，经过实践检验证明是成熟的推荐槽配合列表见表2～表7，其中：表2为上海电科所《中小型三相异步电动机电磁计算程序》中推荐的槽配合；表3是前苏联有关文献推荐的槽配合；表4为浙江大学陈永校等老师编著的《电机噪声的分析和控制》中推荐的外径D≤250～300毫米的中小型异步电机的槽配合；表5～表7为芬兰(Juha Pyrhonen等)著、贾好来等译的《旋转电机设计》中推荐的槽配合，其中表5和表6分别给出了极对数p=1，2，3时，定子不同槽数时，转子为直槽时槽数的选择方法，其中符号“○”对应的槽配合在电机堵转时会产生有害的同步转矩；符号“+”对应的槽配合在电机正转时会产生有害的同步转矩；符号“-”对应的槽配合在电机反转(电源反接制动)时产生有害的同步转矩；符号“x”对应的槽配合会产生有害的机械振动；表7为斜槽时的推荐槽配合顺序。

1.1.2 同步电机的极槽配合 同步电机的极槽配合同样受多种因素的制约，其中最主要的是电磁性能的制约，从电磁设计角度来看，同步电机的极槽配合不会像异步电机的槽配合那样存在许多禁忌，因此对于同步电机的极槽配合选择，会有更多选择余地，应首先从满足电磁性能出发，选择电磁性能最优的极槽配合。从振动噪声角度考虑，不同的极槽配合会产生不同空间阶次和不同时间阶次(频率)的力波，但无论选择什么样的极槽配合，都不可能把全部的力波消除，只是力波的阶次和频率不同罢了，因此在同步电机设计时，一旦根据电磁设计选定极槽配合后，在振动噪声方面的主要工作：一是分析计算在该极槽配合下可能会产生的力波阶次、频率及各阶力波的大小；二是分析计算电机结构(主要是定子铁心和机座)的固有振型和固有频率；三是从中找出可能引起强烈振动噪声的危险力波，校核在这些危险力波激励下电机产生的振动和噪声；四是从降低力波大小和改善结构固有振动特性两个方面去优化电机结构。只有对电机的振动噪声要求非常苛刻，在电机结构优化仍不能满足振动噪声要求的情况下，才能改变极槽配合，适当牺牲电磁性能来保证振动噪声性能。通常情况下，无论什么样的极槽配合，只要认真优化电机结构设计，都是能够满足振动噪声要求的。 鉴于本文主要是讲振动噪声方面的问题，从电磁设计角度如何选择合适的极槽配合不是本文研究的内容，因此这里仅就振动噪声方面讲一下极槽配合选择应注意的事项。 ① 易产生强烈振动噪声的力波阶次及频率 同步电机空载时，产生电磁噪声的主要根源是转子主极的υ次谐波磁场与定子开槽调制主极磁场主波而产生的齿谐波磁场相互作用形成的径向力波，其中尤以一阶齿谐波最为重要。转子主极υ次谐波磁场与一阶齿谐波磁场相互作用产生的径向力波的空间阶次为： p′=υp±(p±Z1) =(2n+1)p±(p±Z1) ⑴ 式中：p为主极极对数；Z1为定子槽数；n=1、2、3…。 这些径向力波中空间阶次p′越低，力波的波长越大，电机的变形和振动幅值就越大，因此，在电机设计时，一旦极槽配合选定，首先要根据式⑴找出p′最小的两个阶次的力波予以重点校核。

第一个力波是： p′- =(2n+1)p-(p+Z1) =2np-Z1 ⑵ 其频率为： f′- =[(2n+1)-1]•f1 =2n•f1 ⑶ 式中：f1为定子电频率。 第二个力波是： p′+ =(2n+1)p+(p-Z1) =2(n+1)p-Z1 ⑷ 其频率为： f′+ =[(2n+1)+1]•f1 =2(n+1)•f1 ⑸ 这两个力波中更小的那个更加危险。显然，当定子绕组为整数槽绕组(q为整数)时，会出现p′=0的情况，即出现0阶力波，我们也称之为“呼吸力波”，因此对整数槽电机要重点校核0阶力波的电磁力和振动特性；对于分数槽绕组(q为分数)，两个力波的阶次p′将不为0，则要对两个力波都要进行振动噪声特性的校核，特别是这两个力波中p′较小的那个力波。通常情况下，p′的大小取决于定子槽数Z1与极数2p的最大公约数，最大公约数越大，p′越小，相应的力波幅值也越大，振动噪声越大。另外力波的幅值还与Z1与2p的最小公倍数有关，最小公倍数越大，力波幅值越小，因此在可能的条件下应该尽量选择Z1与2p最大公约数小、而最小公倍数大的极槽配合。 ② 主波磁场产生的振动 电机气隙中主波磁场的幅值最大，产生的径向力波也最大，主波磁场产生的径向力波阶次为2p，频率为2f1。由于主波磁场是用来进行机电能量转换的，电机工作就是依靠主波磁场，削弱主波磁场，将严重影响电机的电磁性能，因此对主波磁场产生的电磁振动抑制，不能靠削弱主波磁场来实现，应主要立足于结构刚度的设计优化，使铁心和机座的固有振动特性(固有模态振型和固有频率)避开主波力型和频率(2f1)。需要说明的是，对于主波磁场产生的电磁振动问题主要集中在两极电机中，特别是大型的汽轮发电机。因为两极电机的主波阶次较低(阶次为2)，且大型电机的铁心和机座的固有频率也较低，约在100Hz附近，很容易与主波磁场产生的力波形成共振，设计时需要重点考虑。对于极数较多的同步电机(如水轮发电机)和中小型同步电机，由于结构的固有频率较高，远高于100Hz，加之极数较多，力波阶次较高，往往主波产生的电磁振动可不做重点考虑。但对于极数较多的水轮发电机，往往采取分数槽绕组，这样对上述第①种情况的低频力波应重点考虑。 1.2 斜槽或斜极 斜槽和斜极都是削弱齿谐波的有效措施，在本质上二者是相同的，该措施不仅能改善电势波形，也可改善电磁噪声。其原理是斜槽或斜极时，径向力波沿轴向发生相位移，因此沿轴向的平均径向力得以降低，从而减小电磁振动和噪声。理论分析表明，斜槽或斜极时，0阶径向力波沿轴向的平均幅值为： Pn0=Pn•Ksk ⑹ 其中：Pn为不斜槽时的0阶径向力波幅值；Ksk为斜槽系数，转子斜槽时的斜槽系数为： Ksk=sin(μ•bsk/2R)/(μ•bsk/2R) =sin(μπ•bsk/Z2•t2)/(μπ•bsk/Z2•t2) ⑺ 式中：μ为针对的谐波极对数；bsk为斜槽的距离(弧长)；R为转子半径；Z2为转子槽数；t2为转子槽距。上述斜槽系数公式对定子斜槽同样适用，只要将Z2和t2分别用定子槽数Z1和定子槽距t1替代即可；对于斜极的情况，应该用斜极系数替代斜槽系数即可，斜极系数为： Ksk=sin(μπ•bsk/2p•τ)/(μπ•bsk/2p•τ) ⑻ 式中：p为极对数；τ为极距。 根据线性假设，声功率与定子表面振动幅值的平方成正比，而振动幅值又与径向力成正比，因此斜槽或斜极后与不斜槽斜极时的声功率级变化为： ΔLw=10•lg(Ksk)² =20•lgKsk ⑼ 由式⑹～⑼可见，只要适当斜槽或斜极，针对齿谐波极对数使其斜槽或斜极系数很小甚至为0，即可极大地减小因齿谐波引起的振动噪声。一般实际的电机中，噪声级降低的差值要小于⑼式所求得的值，这是因为在上述分析时忽略了因斜槽引起的扭转力矩和轴向非0阶径向力等次要因素引起的振动。 上述分析是针对单向斜槽或斜极进行的，即斜槽或斜极沿切向向一个方向倾斜，单向斜槽或斜极虽然能降低齿谐波引起的振动噪声，但同时也带来了一定的副作用，那就是会引起横向电流和扭转力矩，从而增大了附加损耗、产生了附加的轴向力和扭转振动，为了避免上述副作用，对于鼠笼型异步电机，还可以采用转子双向斜槽的措施，如图1所示。即将转子沿轴向分为两段，每段斜槽方向相反，形成所谓的“人”字斜槽，同时两段笼条错开一定的角度α，两段的中间增加一个短路环。

理论分析表明，中间短路环中的电流很小，因此中间短路环的截面可以很小，不会显著影响总铁心长度，这样的双斜槽设计即可达到减小径向力波的作用，又可以避免因单向斜槽产生的副作用。当两端长度相等且倾斜方向相反、倾斜角度相同时，两端铁心产生的轴向力大小相等、方向相反，相互抵消，而两段产生的径向力波幅值的平均值为两段分别产生的径向力矢量相加，得到的径向力波幅值的平均值为： Pn0=Pn•Ksk•cos(μ•α/2) ⑽ 式中：Pn为不斜槽时的径向力波幅值；Ksk为单段的斜槽系数；α为两段导条错开的机械角度。采用双斜槽措施后，与直槽相比声功率级可以降低： ΔLw=10•lg[Ksk•cos(μ•α/2)]² =20•lg[Ksk•cos(μ•α/2)] (11) 由⑽式和(11)式可见，两段导条错开适当角度时，可以极大地降低径向力波的平均幅值(甚至可以降为0)，从而极大地减小电磁振动噪声。 1.3 优化槽口和极弧形状 气隙磁场谐波(特别是齿谐波)的大小，与极弧尺寸和形状(对同步电机)密切相关，还与定转子开槽导致的磁导波大小密切相关。因此优化同步电机的极弧尺寸和形状、优化定转子槽型(特别是槽口)尺寸是降低电磁噪声的有效方法，尽量减小槽口宽度采用闭口槽、半闭口槽、采用磁性槽楔等措施，均对降低因齿槽引起的电磁振动噪声有益处。优化同步电机的极弧形状，尽量使空载气隙磁密波形接近正弦，同样会起到降低电磁噪声的作用。鉴于这些措施对降低电磁噪声的影响很难用解析方法定量计算，只能采用有限元数值计算进行定量分析，好在随着计算机仿真软件功能的日益强大，许多专业的仿真分析软件已能精确地计算电机内的各种力波，因此建议采用专业的仿真软件，对某些敏感结构参数进行扫描仿真，以确定最佳的磁极形状和槽口尺寸。 1.4 其它降低电磁噪声的措施 除以上措施外，还有一些其它措施，如适当增大气隙、适当降低气隙磁密、采用合适的绕组形式和连接方式等等。这里只定性地对这些措施降低电磁振动噪声的原理做一简要介绍： ① 适当增大气隙 由前面几期的分析可知，电磁噪声的声功率与振动的幅值平方成正比，而振动幅值又与径向力波幅值成正比，径向力波又与谐波磁密幅值的平方成正比，磁密幅值又与气隙成反比。由这一系列比例关系可以得出增大气隙可以降低的声功率级为： ΔLw=40•lg(δ2/δ1) (12) 需要说明的是，增大气隙在降低谐波磁密的同时，主波磁密也会等比例降低，而电机的工作就是依靠主波磁场进行机电能量转换的，主波磁密降低必然影响电机的其它电磁性能，另外电机的成本也与气隙的大小密切相关，气隙增大会导致电机成本的增加。因此采用增大气隙来降低电磁噪声需要统筹权衡利弊。 ② 适当降低磁密 如前所述，电磁噪声与气隙磁密密切相关，降低磁密可降低的电磁噪声级为： ΔLw=40•lg(B2/B1) (13) 同样降低气隙磁密也会影响到电机的主要电磁性能和成本，同样需要权衡利弊。 ③ 采用合适的绕组形式和连接方式 定子绕组是电机的核心部件，其绕组形式及连接方式对电磁性能、电磁噪声影响很大，绕组的形式或连接方式不合适会产生较大的谐波磁场，从而恶化电机的电磁性能和电磁噪声。定性地说，选择合适的绕组节距以削弱绕组的相带谐波；选择谐波磁势较小的绕组，如正弦绕组；对于单相电机，尽量设计的定子磁势为圆形旋转磁势等措施都有利于减小电磁噪声。这里重点说一下绕组的连接方式对电磁噪声的影响及解决措施。 在电机的生产和装配过程中，不可避免地会出现定转子不同心的情况，气隙的偏心会导致气隙磁场不对称，产生低阶径向力波，从而增大振动噪声。如果在绕组的连接方式采取措施尽量去弥补气隙磁场的不对称，会有效地降低噪声。以四极电机为例，如图2所示，为四极电机定子绕组可能的接线方式。

图2a为四极三相绕组的极相组，每相四个极相组，它们可串可并，其中图2b为全部串联；图2c和d为两路串联，每路由两个极相组串联，二者所不同的是c为两个相邻的极相组串联后再并联，d为隔一个极的两个极相组串联后再并联，即把同一极性(两个N极或两个S极)下的极相组串联后再并联，二者均无均压线；图2e为在图2c基础上增加了均压线；图2f为全部四路并联。在上述五种绕组连接方式下分别进行噪声测试，结果表明，按噪声从大到小依次是b—c—d—e—f，图2b所示的全串联连接方式噪音最大，图2f所示全并联连接方式噪声最小。分析其原因是并联连接方式中的环流会起动抵消气隙磁密不对称的影响，从而达到降低噪声的目的。由此可以得出结论：从降低电磁振动噪声角度，优先采用尽可能多的并联支路数；其次是采用隔极串联并采用均压线的连接方式；再次是邻极串联并采用均压线；再依次是采用隔极串联再并联；邻极串联再并联；全串联的连接方式。需要说明的是，上述结论只是从降低电磁噪声角度得出的优先顺序，实际电机中，还需要统筹考虑其它影响因素，比如采用均压线、隔极串联等必然会导致工艺复杂，采用全并联和均压线必然导致环流，增大附加损耗，影响效率和温升等。关于邻极串联和隔极串联的连接方式如图3所示。

2 结构设计降低振动噪声的措施 从结构设计角度降低振动噪声的内容包括两个方面：一是引起电机振动噪声的因素包括两个方面：激振力和结构的固有振动特性，前面讲的降低电磁振动的措施只是从降低激振——电磁力波角度来说的，通常情况下引起强烈电磁振动的主要原因是电磁激振与电机的某些部件发生了共振导致的，因此在电机设计时，需要对结构的固有振动特性进行校核和改进优化；二是电机的振动噪声除了电磁振动噪声以外，还有机械振动噪声和空气动力学噪声，因此在结构设计时还需要考虑如何减小机械振动噪声。 2.1 结构的固有振动特性校核 在激振一定的情况下，电机的振动噪声就取决于结构的固有振动特性，包括结构的固有振型和固有频率。在结构设计时关于振动噪声方面的校核内容包括： ① 首先要根据前面讲到的内容，列出气隙磁场产生的力波表，找出主要的力波，计算出主要力波的阶次和频率。 ② 采用前面介绍的解析方法对机座、定转子铁心、端盖等主要结构部件的固有频率进行估算。鉴于目前专业的仿真软件功能日益强大，有许多关于结构的模态仿真软件已广泛应用于电机的辅助设计，建议有条件的情况下尽量采用计算机仿真技术对上述结构部件进行模态仿真计算，得到结构的固有模态振型和固有频率。 ③ 将力波的力型和频率与模态振型和频率进行比对，避免二者的振型一致且频率接近，尽量使固有频率远离激振频率一般固有频率和激振频率的相对差值应大于10%，否则需要优化电机结构，避开激振频率，以免发生共振。 2.2 机械振动噪声的降低 一般引起机械振动和噪声的主要激振源有两个：一是动平衡不良；二是轴承引起的振动噪声。首先在结构设计时应尽量避免机械结构的不对称，特别是转子相关部件，以减小设计方面的不平衡，如转子的引线、键槽、通风道、转子绕组的端部紧固结构等应尽量在圆周上对称布置。在轴承结构方面，尽量选用小游隙轴承，采用波纹垫圈、弹簧预紧等措施，给滚动轴承施加一定的轴向预紧力，以减小轴承噪声。除此之外，理论和实践均表明，采取以下措施有利于减振降噪： ① 弹性机械连接 调节定子铁心和机座之间连接的弹性，对减小大中型电机振动噪声非常有效，通过有弹性的连接筋把定子铁心与机座连接，并调节其弹性参数，可以起到将铁心振动与机座良好的隔离作用，大大减小机座的振动。作为一种实例，有些厂家将定子铁心和机座设计成装配式结构，铁心与机座的配合面上可以加装不同的减振垫，以调节弹性参数。 ② 选用具有良好隔振降噪特性的结构材料 随着材料技术的不断进步，涌现出许多新材料可用于电机的结构件中，如有一种类似“三明治”的复合材料，两层钢板之间夹了一层类似橡胶板的减振材料，用这种复合钢板做电机的机座和外壳材料可以有效地减振降噪。再比如将某些阻尼涂料涂于机座内腔或定子铁心也可起到降低噪音的效果。还有在风扇、滑环室等易产生噪音的腔室内铺设一些吸声材料也可减小空气噪声。涉及新材料应用方面的类似措施还有很多，不再一一赘述。 ③ 加强定子结构刚度 在激振力一定的情况下，振幅与定子的刚度密切相关，而定子的刚度与定子轭厚度、筋板的布置等结构有关，理论上振幅大致与定子轭厚度的三次方成反比，增加定子铁心轭厚度，可增加定子刚度，大大减小定子振动幅值，但这种措施还会影响到电机的电磁性能、尺寸、重量和成本，也会影响到固有频率，应该统筹考虑。 ④ 增加阻尼 电机设计时增大结构的阻尼也可减小振动和噪声。如对铁心、绕组进行浸渍或灌封处理，都是增大结构阻尼的措施，实践表明这些措施除了提高了绝缘性能，对减振降噪也起动了良好的效果。 ⑤ 降低噪声辐射效率 如前所述，电机的声辐射与电机的尺寸形状有关，通常做成短促粗型的电机比细长型的电机噪声小。 以上都是减振降噪方面的措施，且经实践验证表明也是非常有效的措施，但采取上述措施时可能会影响到电机的一些其它性能，另外在设计时也会遇到一些其它的限制条件，因此需要结合具体产品采取适当的措施来实现减振降噪的目的。 3 降低空气噪声的措施 空气动力学噪声也是电机的一个主要噪声源，它是由于电机冷却系统的空气流通造成的，通常频率较高，频谱较宽，主要以噪声的形式对外辐射。要降低这类噪声应从两个方面入手：一是从声源上控制；二是从隔声或消声方面控制。主要措施如下： ① 合理设计风量 通常情况下，风量越大，空气噪声越大。从冷却散热方面考虑，希望风量越大越好，但从噪声方面考虑，风量越小越好，因此在冷却系统设计时，不宜过分追求大风量，只要能够满足温升要求，适当减小风量有利于减小空气噪声。具体措施包括：尽量提高效率，减小散热量；合理留有冷却裕度和温升裕度；尽量提高绝缘的耐温等级；合理布置冷却风路和散热筋，把有限的风量用到最需要的地方。这些措施看起来都比较笼统，需要针对具体产品进行合理设计。 ② 合理设计风扇和风路结构 实践表明轴流式风扇比离心式风扇噪声要小。在风扇设计时，叶片的形状尺寸及风扇结构都与风扇噪声密切相关。风路结构也与空气噪声密切相关，在风路设计时，应尽量使风路形状为流线型，避免出现尖棱尖角类的风路结构，适当位置加一些导风结构，合理选择风路的配合间隙…等等。关于低噪声风扇和风路的结构和设计技术，是一个非常专业的领域，这里只是笼统提出一些方向性的措施，具体设计建议查阅相关的专业文献或咨询专业的空气流体方面的权威机构和专业人士，我们就不班门弄斧了。 ③ 隔声和消声措施 如前所述，在风扇室等易产生空气噪声的腔室铺设吸声材料，在风路的合适位置设置消声结构等措施都可以减小空气噪声。关于隔声和消声技术同样是一个非常专业的门类，还是建议查阅相关专业文献，咨询专业机构和人士。 以上我们从设计角度介绍了减振降噪的一些方法和措施，希望能够对从事电机减振降噪设计的相关人员有所帮助。关于在制造和使用过程中涉及的减振降噪问题，将在下期介绍，敬请期待！