直流電機(jī)的磁噪聲

直流電機(jī)的磁噪聲1產(chǎn)生原因直流電機(jī)的定于是凸極式的，給我們的分析帶來(lái)許多困難。其一是直流電機(jī)的凸極形磁極造成了定子圓周的嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)。由第三章的分析知道，這時(shí)，必須考慮廣義齒（即磁極）的對(duì)稱(chēng)振動(dòng)和廣義齒的反對(duì)稱(chēng)振動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，直流電機(jī)定子振動(dòng)時(shí)，變形主要在非磁極相連的那部分圓周。其二是磁極的凸極形狀，使定子勵(lì)磁繞組所產(chǎn)生的主極磁場(chǎng)類(lèi)似于同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組所產(chǎn)生的主極磁場(chǎng)。因此，完全可以借鑒同步電機(jī)的分沂。但現(xiàn)在所不同的是：同步電機(jī)中主極磁場(chǎng)是隨轉(zhuǎn)子一道同步旋轉(zhuǎn)的，而直流電機(jī)中主極磁場(chǎng)由定子直流電所產(chǎn)生，是靜止的。這樣，直流電機(jī)的電磁噪聲必然是與轉(zhuǎn)子關(guān)系密切，從而得到與同步電機(jī)不同的結(jié)果。其三是凸極形是定子磁極，既然是靜止的，氣隙中的主要能量也必然是存貯在靜止的區(qū)域中，即直流電機(jī)定子的磁極下的氣隙中。由馬克斯韋定律可知，直流電機(jī)的電磁振動(dòng)激振力波或力矩主要是在磁極下起作用。磁極上的作用力主要有隨時(shí)間而變的徑向力、切向力和彎曲力矩。既然考慮產(chǎn)生振動(dòng)的交變力，它肯定不可能完全由定子方面直流電產(chǎn)生，必須有轉(zhuǎn)子方面產(chǎn)生附加磁場(chǎng)的參加，才能產(chǎn)生這種交變力。因此，在直流電機(jī)電磁噪聲的分析與控制中，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)頻率、極對(duì)數(shù)和幅值的分析才是至關(guān)重要的。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在分析中不考慮切向力矩。氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向力波為人(*)= {ZBAcosvO+ZZ_kcos[(kZ±v)0-kZ①t])22口 2口00（2口 2口00（7-45）LZZZBBAoAfcos{[kZ±(v±v)]O-kZ①t}2 2 1 2r由此可知：直流電機(jī)中由徑向力波引起的振動(dòng)和噪聲頻率為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)齒額，f=—kZ&=k^Ak=1,2,3…實(shí)踐證明，與同步電機(jī)一樣，定子主極磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子一階齒諧波磁場(chǎng)相互作用，所產(chǎn)生的力波是引起直流電機(jī)電磁噪聲和振動(dòng)的主要成份。所不同的是，現(xiàn)在，由于力波主要在磁極下起作用，作用力或力矩在蹈極極面下求平均值。因此主要考慮主極磁場(chǎng)基波與一階轉(zhuǎn)子齒諧波磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的力波和力矩。這樣，可以假定直流電機(jī)的氣照磁場(chǎng)由二部分組成，一是主極磁場(chǎng)基波，二是轉(zhuǎn)子開(kāi)招引起的一階齒諧波磁場(chǎng)。諸自強(qiáng)7.4直流電機(jī)的電磁噪聲多次實(shí)驗(yàn)研究表明：直流電機(jī)的磁振動(dòng)主要是由齒頻磁力產(chǎn)生。2兀Znw= /秒60式中Z一電樞鐵芯齒數(shù)。因此下面進(jìn)行的計(jì)算僅為齒頻的振動(dòng)。為了使計(jì)算簡(jiǎn)化先研究空載狀態(tài)，在這種情況下作如下假定：氣隙中的磁場(chǎng)在極靴邊緣降到零，如圖6—1所示；主磁極是絕對(duì)的剛體，并牢固的固定在磁扼上；附加極是連接在磁軛突塊上，磁力不作用于附加極上。我們研究電樞齒引起的磁力對(duì)電機(jī)主磁場(chǎng)的作用，這種情況在實(shí)際中是最常遇到。圖6T均勻氣隙時(shí)在磁極下的磁場(chǎng)舒波夫6直流電機(jī)的磁噪聲2影響因素和措施2.1斜槽或斜極同樣，降低異步電機(jī)電磁噪聲的措施，原則上也運(yùn)用于直流電機(jī)，如斜槽或斜極可大幅度地抑制徑向力和彎曲力矩，減小的倍數(shù)為斜槽系數(shù)。實(shí)踐表明負(fù)載對(duì)直流電機(jī)的電磁噪聲影響不大，一般不超過(guò)3分貝。尤其是當(dāng)直流電機(jī)與同步電機(jī)一樣，在磁極上裝有阻尼繞組時(shí)，直流電機(jī)中電樞反應(yīng)磁場(chǎng)被阻尼繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)所補(bǔ)償，負(fù)載電磁噪聲可按空載電磁噪聲來(lái)計(jì)算。就降低直流電機(jī)電磁噪聲的方便、可行性來(lái)說(shuō)，斜磁極，即使磁極斜過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)子齒距，和在磁極上安裝阻尼繞組是值得采用的辦法。當(dāng)磁極上安裝了象同步電機(jī)中一樣的阻尼繞組后，因轉(zhuǎn)子槽引起氣隙磁密中的脈動(dòng)分量在阻尼繞組中感應(yīng)電勢(shì)并產(chǎn)生電流，而這一脈動(dòng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)又對(duì)氣隙磁密的脈動(dòng)分量起阻尼抑制作用，從而降低了齒頻分量的幅值，達(dá)到降低振動(dòng)和噪聲的目的。一臺(tái)ZD2型160千瓦直流他激電動(dòng)機(jī)，電壓440伏，電流398安，轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分，2p=4,Z2=47，上海電機(jī)廠對(duì)其試驗(yàn)表明，當(dāng)電機(jī)升速至66—70轉(zhuǎn)/分時(shí)，電機(jī)噪聲特別大，聲壓級(jí)為99分貝（人），振幅為150微米，振速52毫米/秒，電源切斷后，劇烈的振動(dòng)和噪聲立即消失。故電機(jī)振動(dòng)和噪聲屬于電磁振動(dòng)和電磁噪聲為主。噪聲與振動(dòng)的基波頻率為52赫左右。利用電磁激振器激振測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)子的固有頻率為50赫左右。測(cè)試表明電機(jī)振動(dòng)最大點(diǎn)發(fā)生在換向器端軸承水平橫向處，噪聲最大值出現(xiàn)在換向器端觀察窗處。對(duì)比試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)均為此位置。除采用了類(lèi)似于異步電機(jī)中的降低振動(dòng)和噪聲措施之外，還采用了加裝阻尼繞組的措訊效果最好。見(jiàn)圖7—9。對(duì)該電機(jī)分析表明，在原機(jī)不作較大的改動(dòng)的情況下，要消除低速68轉(zhuǎn)/分左右劇烈振動(dòng)和噪聲是困難的，因?yàn)樵撾姍C(jī)調(diào)速范圍廣（0?500轉(zhuǎn)/分）。只有采取削弱或降低旋轉(zhuǎn)齒頻磁拉力的幅值的辦法才是可行的。該電機(jī)由于需要調(diào)速，旋轉(zhuǎn)齒頻激振力頻率在大范圍內(nèi)變動(dòng)，當(dāng)變速至68轉(zhuǎn)/分左右時(shí)激振力的頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率接近，發(fā)生共振。由于是轉(zhuǎn)子發(fā)生共振，與轉(zhuǎn)子相連換向器和軸承振動(dòng)加劇，使電刷和軸承的噪聲大大增加。因?yàn)樵肼暿怯赊D(zhuǎn)子共振引起的，頻率應(yīng)為旋轉(zhuǎn)齒頻，振動(dòng)最大點(diǎn)發(fā)生在換向器端軸承水平橫向處，噪聲最大點(diǎn)出現(xiàn)在換向器觀察窗處。當(dāng)電機(jī)不是在66~70轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)齒頻激振力的頻率偏離轉(zhuǎn)子固有頻率，振動(dòng)和噪聲減弱。當(dāng)電源切斷后，旋轉(zhuǎn)齒頻激振力消失，共振現(xiàn)象也隨之消失，只有換向器或軸承本身引起的振動(dòng)和噪聲，振動(dòng)和噪聲便大幅度降低。當(dāng)磁極上裝有阻尼繞組時(shí)，大大削弱了旋轉(zhuǎn)齒頻激振力的幅值，因此使電機(jī)振動(dòng)和噪聲大大降低。諸自強(qiáng)7.4直流電機(jī)的電磁噪聲2.2選擇電樞槽數(shù)選擇電樞槽數(shù)z時(shí)，應(yīng)該偏重使仝值大，因?yàn)樵谶@種情況下，磁通的縱向2p脈動(dòng)會(huì)減小，因而使電機(jī)接線端的電壓變動(dòng)減小和磁振動(dòng)減小。但是應(yīng)該記住：過(guò)分的增加槽數(shù)就會(huì)增加槽絕緣的消耗，這樣就會(huì)使電機(jī)的價(jià)格增大。此外，由于槽中絕緣厚度的相應(yīng)增加，電機(jī)的長(zhǎng)度也會(huì)增加。選擇電樞槽數(shù)時(shí)應(yīng)該滿(mǎn)足下列條件：根據(jù)實(shí)踐的資料每極槽數(shù)土應(yīng)符合以下所列數(shù)值:2pI電樞直徑，亳米一*—2P<5007—10<1000I電樞直徑，亳米一*—2P<5007—10<100010?16>100012?22這里對(duì)所給的某一電樞直徑值大的相應(yīng)于極數(shù)少的電機(jī)這里對(duì)所給的某一電樞直徑值大的相應(yīng)于極數(shù)少的電機(jī)2p電樞槽數(shù)應(yīng)該滿(mǎn)足繞組對(duì)稱(chēng)條件。電樞直徑大于1000毫米時(shí)，電樞鐵芯由扇形片疊裝而成，槽數(shù)選擇應(yīng)考慮到扇形片的尺寸和每片扇形片的槽數(shù)可進(jìn)行鐵芯疊裝，此外沿電樞圓周的扇形片數(shù)應(yīng)能降低產(chǎn)生軸電流的可能性。a=七值的選擇沒(méi)有重要的意義，因?yàn)殡姍C(jī)在負(fù)載下工作時(shí)這個(gè)數(shù)的有效值t1可能是變化的。在圖6—4a所示的情況下，電樞反應(yīng)磁場(chǎng)可能使齒部和極靴邊緣飽和。為了減小極靴邊緣飽和的可能性，應(yīng)將極靴邊緣做成圓形如圖6—4b所示。圖6-1設(shè)計(jì)制造的磁極極尖方案迂)尖端的b)飆形的舒波夫6直流電機(jī)的磁噪聲2.3注意定子軛的固有振動(dòng)在直流電機(jī)定子軸和同步電機(jī)(或異步電機(jī))定子機(jī)殼的高度相等時(shí)，直流電機(jī)定子軸的固有振動(dòng)頻率比同步電機(jī)或異步電機(jī)定子的固有振動(dòng)頻率低。這是由于固定在軸上的主磁極是一些集中質(zhì)量。直流電機(jī)固有振動(dòng)頻率的詳細(xì)研究表明：按公式(3—44)計(jì)算，頻率的降低是依靠計(jì)算時(shí)修正所用質(zhì)量數(shù)值來(lái)進(jìn)行的。這時(shí)柔度計(jì)算公式不變。上述質(zhì)量數(shù)值與電樞槽數(shù)和極對(duì)數(shù)p的比有關(guān)。這里應(yīng)該區(qū)分兩種情況Z不是p的整倍數(shù)(z尹q''p)，因而振動(dòng)次數(shù)r不是p的倍數(shù)；Z是p的整倍數(shù)(z=q''p)，則振動(dòng)次數(shù)r也是p的倍數(shù)。對(duì)上述情況，軸的平均圓柱表面的l厘米2的振動(dòng)質(zhì)量m值如表6—2所示。表中系數(shù)k由下列關(guān)系式確定l2+4h2l2+h2式中h——磁極的徑向高度;h定子軛高;l——磁極軸向長(zhǎng)度;l——定子軛的軸向長(zhǎng)度。振幼持性z尹q"Zp由徑向力產(chǎn)生m(-i-mp由彎曲力矩產(chǎn)生FjT如pmj ?注命J為定于貌的角符號(hào).P為磴根的角符號(hào)。2.4電樞直槽和磁極下偏心氣隙偏心氣隙或由磁極中心到磁極邊緣逐漸增大的氣隙是由極靴的特殊截面所形成。通常這個(gè)截面可由相對(duì)偏心率表征，相對(duì)偏心率是極靴邊緣下的最大氣隙5和極靴中心下的最小氣隙8.之比，如圖6—5所示。圖6s偏心氣隙時(shí)磁極下的磁場(chǎng)在直流電機(jī)中采用偏心氣隙是為了削弱引起振動(dòng)和噪聲的交變力的作用，以及削弱電摳反應(yīng)磁場(chǎng)。在這種情況下電機(jī)計(jì)算的基本條件應(yīng)使偏心氣隙的磁導(dǎo)和該電機(jī)最合適的均勻氣隙的磁導(dǎo)等效。否則，靠降低電機(jī)的有效材料利用也能降低磁噪聲。偏心氣隙的效果隨比值％的增加而增加。t

1設(shè)計(jì)低噪聲電機(jī)時(shí)，一般采用的氣隙偏心率為1：2和1：3。大于1：3的偏心率會(huì)明顯地增大磁極中心下的氣隙磁密，這樣可能使相鄰換向片之間的電壓增大。圖6—5所示為偏心氣隙時(shí)磁極下磁密的分布特性。由均勻氣隙和偏心氣隙總磁導(dǎo)等效的條件得出，當(dāng)氣隙偏心率為1：2時(shí)磁極中心下的氣隙為8.=(0.75~0.8)8而當(dāng)偏心率為1:3時(shí)8.w0.68進(jìn)行過(guò)的多次計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明：上述的偏心氣隙與均勻氣隙比較能使激磁力減小幾乎二分之一。2.5電樞斜槽和磁極下均勻氣隙電樞槽斜一個(gè)槽距時(shí)能明顯的降低磁燥聲。實(shí)際上不采用大于一個(gè)槽距的斜度，因?yàn)樵谶@種情況下附加極建立補(bǔ)償磁場(chǎng)來(lái)補(bǔ)償短路元件中的感應(yīng)電勢(shì)較為困難。在某些換向緊張的電機(jī)中甚至斜槽斜一個(gè)槽距都使換向惡化。這對(duì)單疊繞組電機(jī)和磁極之間空間槽距數(shù)少的電機(jī)尤其有關(guān)，如圖6—6所示，在這種情況下?lián)Q向元件邊ab和cd部分地靠近主磁極，當(dāng)勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)和電樞反應(yīng)磁場(chǎng)磁密大時(shí)就可能會(huì)破壞換向?！叭俗中?，極毗的磁極電樞斜槽時(shí)，產(chǎn)生激磁力的實(shí)際情況與交流電機(jī)中相似。',計(jì)算斜槽的激磁力和激磁力引起的振動(dòng)可按第4章的公式進(jìn)行。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的斜槽大小通常采用電樞槽距的分?jǐn)?shù)c，則因4—9中橫座標(biāo)上提供的也是c值。斜糟和偏心氣隙的配合是降低磁噪聲的有效方法。如圖6—7所示，采用“人字形”極靴也可明顯地降低磁噪聲。但是這樣的磁極型式會(huì)明顯地提高電機(jī)結(jié)構(gòu)的造價(jià)此外，在這種情況下用附加極補(bǔ)償短路元件的感應(yīng)電勢(shì)要困難得多。2.6負(fù)載對(duì)磁噪聲的影響沒(méi)有補(bǔ)償繞組的電機(jī)：電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)畸變，因此在極靴一邊的磁密變得比另一邊的磁密大。電樞繞組的槽諧波相對(duì)勵(lì)磁場(chǎng)的槽諧波位移90°。因而負(fù)載時(shí)軛的振動(dòng)可以看作是彼此位移90°的兩個(gè)相同的變形波的形式，其中一個(gè)是勵(lì)磁磁場(chǎng)產(chǎn)生，另一個(gè)是電樞反應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生。如果軛的機(jī)械阻抗由空載過(guò)渡到負(fù)載時(shí)變化不大，那么用計(jì)算的方法可以表明，在負(fù)載時(shí)振動(dòng)級(jí)增加不大于3分貝。已有的實(shí)驗(yàn)表明，在大多數(shù)情況下，負(fù)載下的齒頻振動(dòng)與空載時(shí)的振功差別不大。在負(fù)載下振動(dòng)顯著增大的個(gè)別情況可用軛的機(jī)械阻抗減小來(lái)解釋。有補(bǔ)償繞組的電機(jī)：在這種電機(jī)個(gè)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)由補(bǔ)償繞組的磁場(chǎng)補(bǔ)償。因此可以利用上述空載的計(jì)算公式計(jì)其激磁力。槽斜一個(gè)槽距時(shí)，與空載時(shí)相似，徑向力〃，和變曲力矩m被抑制。補(bǔ)償繞組的槽數(shù)為z'時(shí)，力波次數(shù)r=2pq+Z'±Z''>0當(dāng)Z吐Z''=2pq時(shí)產(chǎn)生零次振動(dòng)。但是應(yīng)該指出，在電樞反應(yīng)磁場(chǎng)沒(méi)有全補(bǔ)償?shù)那闆r下，剩余磁場(chǎng)可能對(duì)磁振動(dòng)級(jí)有重要影響。2.7某些工藝偏差的影響對(duì)同類(lèi)型直流電機(jī)進(jìn)行的一系列振動(dòng)聲響測(cè)量結(jié)果的分析表明，雖然電機(jī)都按同樣圖紙加工，而且它們之間的差別都在工藝允許范圍之內(nèi)，但不同電機(jī)之間齒頻噪聲的大小仍然有很大的差異。為了查明這種差異的原因，曾經(jīng)探討過(guò)下列因素的影響：各個(gè)主極下的氣隙在氣隙計(jì)算值的土10%范圍內(nèi)，氣隙影響的差別；磁極貼在軛上的緊密程度。正如多次計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明：在磁極下氣隙的不均勻度不會(huì)明顯地改變激磁力的大小，但是在這種情況下力波數(shù)可能變化為土1。這樣會(huì)使軛的機(jī)械阻抗明顯的減小，而在某些情況下會(huì)出現(xiàn)諧振。例如：假使在均勻氣隙的電機(jī)中形成波數(shù)等于2的振動(dòng)，那么