综述
SUMMARY

压缩机用电动机振动噪声研究现状

  随着压缩机减振降噪技术的不断进步,电动机的振动噪声逐渐凸显甚至有可能超过压缩机的振动噪声。本文结合压缩机用电动机的工作特点,描述了电动机振动噪声的产生机理,阐明了压缩机用电动机振动噪声控制技术,提出了压缩机用电动机减振降噪技术的发展趋势。
 
压缩机用电动机振动噪声研究现状
 
  压缩机是一种通用机械,作为核心设备广泛应用于空气动力、制冷、化工、食品、医药、纺织等诸多领域。振动和噪声是评价压缩机质量的重要指标[1]。目前关于压缩机振动噪声的研究[2~9]已相对成熟,随着压缩机减振降噪技术的不断提升,电动机的振动噪声逐渐凸显出来。电动机异常或者偏大的振动噪声,不仅影响压缩机设备整体的振动噪声水平,而且会带来额外的功率损失,同时在一定程度上缩短压缩机设备的使用寿命。对电动机进行噪声及振动控制,逐渐成为压缩设备减振降噪研究的新热点。
  在工业设备中,压缩机常用的电动机类型有三种,分别是异步感应电动机、永磁同步电动机以及同步磁阻电动机。异步感应电动机(图1)是将转子置于旋转磁场中,在旋转磁场的作用下,获得一个转动力矩而旋转的装置。在这种电动机中,为了产生驱动转子旋转的扭矩,转子转速总是低于定子磁场的同步转速,因而称之为异步电动机[10]。这种电动机成本低廉、工作可靠,是压缩机设备所使用的主要电动机类型。
 
压缩机用电动机振动噪声研究现状
 
  永磁同步电动机(图2)的定子结构与异步感应电动机的结构非常相似,最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极。这种电动机具有体积小、效率高、启动电流小而转矩大、调速性能优良等优点[11]。采用永磁同步电动机进行变频控制,能使压缩机在部分负荷状态下保持高效运行,具有十分可观的节能效果。
 
压缩机用电动机振动噪声研究现状
 
  同步磁阻电动机(图3)是一种依据“磁阻最小原理”产生转矩的电动机,由于电动机中没有永磁体,不存在高温退磁的风险[12]。因其结构简单、成本低、调速性好,同步磁阻电动机是压缩机进行变频控制的另一种选择。
 
压缩机用电动机振动噪声研究现状

    1 电动机振动噪声产生机理
  电动机的振动和噪声是评定电动机质量的重要指标[13,14],电动机的振动不仅影响其使用寿命,而且是引起噪声的主要原因。一般来说,电动机噪声来源基本可以分为三类,即空气动力噪声、机械噪声与电磁噪声。
  1.1 空气动力噪声
  电动机的空气动力噪声,包括通风噪声及电动机的转动部分与气体摩擦的噪声。空气动力噪声产生的根本原因是电动机通风系统中气流压力的局部迅速变化和随时间的急烈脉动以及气体与电动机风路管道的摩擦,这种噪声直接从气流中辐射出来[15,16]。
  压缩机常用的外置式电动机,一般具有冷却风扇,其空气动力噪声包括旋转噪声、涡流噪声及笛声。旋转噪声是指风扇高速旋转时,空气质点受到风叶周期性的作用而产生压力脉动,从而引发的噪声。涡流噪声是风扇旋转时在叶片后面产生涡流,进而引起气流扰动,形成压缩与稀疏过程,从而产生的噪声。笛声是气流遇到障碍物发生扰动而产生的单一频率的声音,一般有三种:定、转子风道之间的干扰,转子导条与定子绕组之间的干扰,以及风扇叶片与基座散热筋之间的干扰。对于如半封闭制冷压缩机等具有的内置式电动机,通常没有冷却风扇,通过制冷剂等流体进行冷却,此时的空气动力噪声则主要由于冷却流体流经冷却流道及气隙而引发的噪声。
  1.2 机械噪声
  机械噪声是由电动机运转部分的摩擦、撞击、不平衡以及结构共振形成的[15,16]。电动机机械噪声主要包括轴承噪声和转子不平衡引起的噪声。
  轴承噪声分为滚动轴承噪声及滑动轴承噪声。滚动轴承是现有压缩机用电动机中最常用的轴承类型,多为深沟球轴承。造成滚动轴承噪声的因素主要有:轴承本身几何缺陷、外来异物侵入、润滑状态不佳、承受交变载荷、不合理装配等。而滑动轴承噪声则是受到加工精度、功率量、开槽方式及轴承材料等因素影响。对于内置于压缩机内部的电动机,电动机常与压缩机共用轴承,此时压缩机转动部件的负荷变化对轴承噪声具有较大的影响。
  电动机转子不平衡造成动态转子振动和偏心,可导致由定子、转子以及转子支撑装置依次发出噪声。转子的不平衡一方面与其本身质量分布不均有关,另一方面也与中心轴的挠曲变形有关。对于外置式电动机,当压缩机与电动机的传动轴在联轴器处存在错位或交叉等状况时,压缩机会通过传动轴向电动机的中心轴传递径向负荷,从而造成中心轴的挠曲。而对于半封闭式制冷压缩机(如双螺杆压缩机),电动机转子常处于悬臂结构,电动机转子旋转过程会有小幅摆动,这同样会引起机械噪声。
  1.3 电磁噪声
  所谓电磁噪声,是电磁力作用在定、转子间的气隙中,产生旋转力波或脉动力波,是定子产生振动而向外辐射噪声。电动机电磁噪声的主要来源是铁芯和机壳的振动,机壳的振动直接辐射噪声,铁芯的振动通过机壳或端盖上的孔向外辐射噪声。
  1.3.1 径向力波对电动机振动噪声的影响
  电动机中,主磁通大致沿径向进入气隙,并在定子和转子上产生径向力,同时它产生切向力矩和轴向力,径向力所引起的振动是三相电动机产生电磁振动和噪声的主要原因。根据气隙中的磁场能量关系,气隙磁场产生的径向力为[15,16]:
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       由上述基波磁场及定、转子谐波磁场相互作用所产生的交变径向力波作用于定转子铁芯,引起随时间周期性变化的变形,从而引发振动和噪声。因转子刚度较好,而定子铁芯刚性较差,一般认为定子铁芯的振动是引起电磁噪声的主要原因。
  此外,当电动机转子静偏心、转子动偏心、定子椭圆形内圆、转子椭圆形外圆以及电源谐波也会引起径向力波,这类径向力波对小型或者微型电动机的振动和噪声的影响尤为重要。提高加工制造及装配精度,是解决此类振动噪声的根本方法。
  1.3.2 切向力波对电动机振动噪声的影响
  现有部分小型压缩机,如民用活塞空压机等,采用的是单相异步感应电动机。单相异步感应电动机的气隙磁场,一般是椭圆形的,各次谐波磁场相互作用,除了产生径向电磁振动力外,一般还附加产生切向振动力。切向振动对于电动机本身的噪声而言是微不足道的,然而由于这类电动机的应用场合一般都是小型压缩机,往往存在薄壁结构,切向振动常导致薄壁产生较大的振动,甚至发生工作现象,从而产生较大的噪声。对于单相异步感应电动机,切向振动较径向振动更为重要。单相电动机切向振动的频率为[15]:
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  2 压缩机用电动机振动噪声控制技术
  2.1 空气动力噪声控制技术
  降低空气动力噪声有两种途径,一是从声源上控制,二是从传播路径来控制,即安装隔声罩或消声器。从声源上降低空气动力噪声,可采用如下几种方法[15~21]:
  (1)合理设计风量。噪声的大小一般与风量成正比关系,因此冷却风量的设计只要保证温升不超过限值并留一定的裕量即可。另外,通过其它措施也可适当降低风量需求,如提高绝缘耐热等级,增加散热筋等。
  (2)风扇的合理造型和设计。根据电机需求选择合适的风扇类型,确定合理的风扇参数,有助于降低空气动力噪声。
  (3)合理设计风路系统。合理设计风路元件,保证风路畅通,能有效减少通风阻力及噪声。
  (4)多个小风扇替换单个大风扇.
  (5)单独驱动风扇降低风扇周速。
  (6)取消风扇,改为自然冷却或液冷。
  2.2 机械噪声控制技术
  机械噪声主要由轴承噪声以及转子不平衡引起的噪声构成,因而控制机械噪声也应从这两方面入手[15~21]。
  降低滚动轴承噪声的方法有:保持清洁可靠的润滑及冷却,按照规定合理的装配,合理设计轴承与轴的过盈量,合理设计轴承的工作游隙,提高轴承挡肩与轴承孔的加工精度,轴承外圈与轴承孔设计微小间隙等。而对于滑动轴承,应根据使用条件参数选择合适的材料,合理设计尺寸参数,保证可靠的润滑及冷却等。
  对于由转子不平衡所引起机械噪声的控制,可从三方面着手:提高电动机转子的动平衡精度,提高联轴器的连接精度,采用可靠的支撑结构。
  2.3 电磁噪声控制技术
  2.3.1 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[15~21]。
  (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[10],因此定子、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。
压缩机用电动机振动噪声研究现状
  (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[26]。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[10]。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[28]。优化电动机结构[23]及调整控制策略[29~33]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[15]。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。
  2.3.2 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,可以通过三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,减振切向振动向其它部件的传递。
 
  3 压缩机用电动机减振降噪发展趋势
  压缩机具有启停频繁、载荷多变、工作环境恶劣等特点,对可靠性及噪音振动的要求逐年提高。应用于压缩机的电动机,应当在不断提升可靠性的前提下,有效抑制振动和噪声。压缩机用电动机减振降噪的技术发展趋势为:
  (1)多物理场联合仿真。基于将热、流、固、磁等多物理场的联合仿真,结合电动机电磁力波激发振动噪声的特性,针对性的进行设计参数及结构优化。
  (2)液冷替代风冷消除通风噪声。液体(如油、水)的导热系数远大于空气,采用液体来冷却电动机,不仅冷却效果更好,而且解决了空气冷却时通风噪声的问题。
  (3)高速低噪声轴承技术。由于水的粘度很低(通常为油粘度的1/20),水润滑轴承可有效避免滑动轴承因润滑剂液膜涡动而产生振动噪声。空气轴承及磁悬浮轴承不需要任何润滑剂,能够同时避免滚动轴承与滑动轴承振动噪声的产生。
 
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