大型立式同步電機電磁噪聲技術(shù)分析及改造

過一斌

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

工作環(huán)境中的電磁噪聲，會給人類健康造成極大傷害。從修訂補版情況看(GB 10069.3旋轉(zhuǎn)電機噪聲測定方法及限值)，電機噪聲考核越來越嚴格。本文以一臺立式同步電機電磁噪聲為例，通過技術(shù)改造，有效降低電磁噪聲。

1 電磁噪聲的原因及分析

同步電機電磁噪聲主要源于電機氣隙磁場。氣隙磁場徑向分量作用于定子鐵心，使定子鐵心產(chǎn)生振動變形，切向分量與電磁轉(zhuǎn)矩相反，使鐵心齒局部振動變形。由于定、轉(zhuǎn)子繞組中存在著主波磁動勢與各次諧波磁動勢，它們的相互作用可以產(chǎn)生一系列的電磁轉(zhuǎn)矩脈動。

主波磁動勢產(chǎn)生的電磁噪聲，一般情況下由于頻率較低，影響不顯著。諧波磁動勢產(chǎn)生的電磁噪聲，尤其是低次諧波產(chǎn)生的齒諧波導致的電磁噪聲，影響較為顯著。采用定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極，是電機削弱齒諧波的有效措施，也是降低電磁轉(zhuǎn)矩脈動的有效辦法?？梢允棺饔迷诙ㄗ虞S向某一位置鐵心疊片上的電磁轉(zhuǎn)矩脈動與作用在軸向位置的另一個定子疊片上的電磁轉(zhuǎn)矩脈動發(fā)生相位移，使實際作用在定子鐵心上的平均徑向力降低，從而減小電機的電磁噪聲。

2 控制措施的可行性分析

上電同一時間內(nèi)共制造5臺TL3000-48大型立式同步電機，電機運行時存在明顯讓人不適的電磁噪聲。問題發(fā)生后，對鐵心疊壓、定子剛度和氣隙等做了調(diào)整，但效果不理想。鑒于電機結(jié)構(gòu)已經(jīng)成型，計劃采用轉(zhuǎn)子磁極傾斜的方案削弱齒諧波。為更好的論證方案對電機噪聲的改良效果，上電采用有限元分析軟件ANSYS Maxwell對TL3000-48立式同步電機的電磁性能進行分析，并分別計算轉(zhuǎn)子磁極不傾斜和傾斜一個定子齒距情況下，電磁轉(zhuǎn)矩脈動峰-峰值與額定轉(zhuǎn)矩占比的結(jié)果。

2．1 分析模型

綜合計算精度和耗費的時間，采用二維有限元瞬態(tài)電磁場完成分析較為合適，定子繞組端部漏抗可以按照集總方式加載計入。分析采用的二維模型如圖1所示?？紤]到電磁、結(jié)構(gòu)及載荷的對稱性，只建立了1/12的周期對稱模型。

圖1 TL3000-48立式同步電機電磁分析模型

2．2 有限元剖分模型

分析采用的有限元剖分模型如圖2所示。為保證計算結(jié)果的精度，需要對定轉(zhuǎn)子磁路，定、轉(zhuǎn)子間氣隙進行剖分細化。

圖2 TL3000-48立式同步電機有限元剖分模型

2．3 材料屬性(見表1)

表1 所使用的各材料及屬性表

2．4 載荷和約束

載荷：定子三相正弦額定電壓源；額定負載轉(zhuǎn)矩(運動方程)。

約束：在電磁對稱面上施加周期對稱約束；在模型內(nèi)、外邊界處施加磁力線平行邊界約束。

2．5 計算結(jié)果

2．5．1 磁場分布結(jié)果

在額定工況下TL3000-48立式同步電機的磁場分布結(jié)果如圖3所示，可見磁場分布均勻?qū)ΨQ，磁密合理，沒有局部過飽和區(qū)域。

圖3 額定工況下TL3000-48立式同步電機的磁場分布圖

2．5．2 電機電磁性能結(jié)果

供電的電壓波形如圖4所示，利用二維有限元瞬態(tài)電磁場對立式同步電機的電磁性能進行計算，穩(wěn)定后定子電流波形如圖5所示，電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖6所示。

圖4 供電的電壓波形

圖5 穩(wěn)定后的定子電流波形

圖6 穩(wěn)定后的電磁轉(zhuǎn)矩波形

電機轉(zhuǎn)子磁極不斜極的情況下，電機穩(wěn)定運行后轉(zhuǎn)矩脈動峰-峰值約為額定轉(zhuǎn)矩的5.2%；電機轉(zhuǎn)子斜一個定子齒距的情況下，電機穩(wěn)定運行后的轉(zhuǎn)矩脈動峰-峰值約為額定轉(zhuǎn)矩的2.37%。

3 措施論證結(jié)果

首臺TL3000-48電機轉(zhuǎn)子采用磁極傾斜一個定子齒距的技術(shù)改造方案。電機出廠試驗時，在距離電機1 m處，測量基準體數(shù)據(jù)L=4.5 m、W=4.5 m、H=4.2 m，均布測量8點電機噪聲，測量數(shù)值見表2。

表2 測量數(shù)值表

3.1 等效矩形包絡面法測量面積S

故：a=3.25 m、b=3.25 m、c=5.2 m

≈163.477 6

3．2 計算環(huán)境反射修正值K2

式中：S為測量面積，m2；A為房間吸收量，m2；上海電機廠房間的吸收量默認值為85 m2。

≈9.4

3．3 計算平均聲壓級

其中，環(huán)境噪聲值設置為70 dB(A)，低于被試電機在各點測得值10 dB以上時，測量值不做修正，即KLi=0；同時，由于電機在常溫和常壓下試車，不考慮溫度、氣壓的影響，即K3=0。

108.1+108.0+108.2+108.0)]-K2

≈10×log10(1.70×108)-9.4

≈82．3-9．4

=72．9 dB

綜上所述，電機轉(zhuǎn)子采用磁極傾斜一個定子齒距的技術(shù)改造方案，試驗計算平均聲壓級為72．9 dB，電機噪聲得到明顯改善。

4 結(jié)論

(1) 電機轉(zhuǎn)子在不斜極的情況下，轉(zhuǎn)矩脈動峰-峰值約為額定轉(zhuǎn)矩的5.2%；轉(zhuǎn)子斜一個定子齒距的情況下，轉(zhuǎn)矩脈動峰-峰值約為額定轉(zhuǎn)矩的2.37%，能更進一步抑制轉(zhuǎn)矩脈動和減小電機的振動噪聲。

(2) 上述技術(shù)改造方案的可行性分析，及首臺改造電機的試驗噪聲結(jié)果，論證了磁極傾斜一個定子齒距能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動，從而減小電機的振動噪聲。該技術(shù)改造方案可靠可行。