异步电机的电磁振动和噪声简述

1、异步电机简介
电机的种类很多，分类方法也很多。如按运动方式分，静止的有变压器，运动的有直线电机和旋转电机，直线和旋转电机继续按电源性质分，又有直流电机和交流电机两种，而交流电机按运行速度与电源频率的关系又可分为异步电机和同步电机两大类，分类还可以进一步细分下去。鉴于直线电机较少应用，故上述分类结果可归纳为：



图1

异步电机是一种交流电机，也叫感应电机，主要作电动机使用。异步电动机广泛用于工农业生产中，其容量从几千瓦到几千千瓦。日益普及的家用电器，例如在洗衣机、风扇、电冰箱、空调器中采用单相异步电动机，其容量从几瓦到几千瓦。在航天、计算机等高科技领域，控制电机得到广泛应用。异步电动机也可以作为发电机使用，例如小水电站、风力发电机也可采用异步电机。
异步电机定子相数有单相、三相两类。三相异步电机转子结构有笼型和绕线式两种，单相异步电机转子都是笼形。异步电机主要由固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，定、转子之间有气隙，在定子两端有端盖支撑转子。图2所示是三相笼形异步电机的结构图。



图2
异步电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分构成。定子铁心的作用是作为电机磁路的一部分和嵌放定子绕组。为了减少交变磁场在铁心中引起的损耗，铁心一般采用导磁性能良好、比损耗小的0.5mm 厚低硅钢片（冲片）叠成，如图3所示。为了嵌放定子绕组，在定子冲片中均匀地冲制若干个形状相同的槽。槽形有三种：半闭口槽、半开口槽、开口槽。半闭口槽适用于小型异步电机，其绕组是用圆导线绕成的。半开口槽适用于低压中型异步电机，其绕组是成型线圈。开口槽适用于高压大中型异步电机，其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。



图3
异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴构成。转子铁心是电机磁路的一部分，一般由0.5mm 硅钢片冲制后叠压而成。转轴起支撑转子铁心和输出机械转矩的作用，转子绕组的作用是感应电动势、流过电流和产生电磁转矩。其结构型式有两种：笼型和绕线式。
笼型绕组。在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接起来。如果去掉铁心，则剩下来的绕组的形状就像一个松鼠笼子。这种笼型绕组可以用铜条焊接而成，如图4，也可以用铝浇铸而成，如图4。



图4
笼型转子绕组



图5
笼型铸铝转子
绕线式绕组。绕线式绕组是与定子绕组相似的对称三相绕组。一般接成星形。将三个出线端分别接到转轴上三个滑环上，再通过电刷引出电流。绕线式转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动机的起动性能、调节其转速，其接线示



图6
2、异步电机的振动和噪声
异步电机之所以得到广泛应用，主要由于它有如下优点：结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用，而且有较高的效率和相当好的工作特性。异步电机主要的缺点是：目前尚不能经济地在较大范围内平滑调速以及它必须从电网吸收滞后的无功功率。电机中，主磁通大致沿着径向进入气隙，并在定子和转子中产生径向力，从而引起电磁振动和噪声。同时产生切向力矩和轴向力，引起切向振动和轴向振动。为了计算电机的电磁噪声，并分析和控制这些噪声，就应该知道这些噪声和振动的来源，也就是产生振动和噪声的力波。目前采用CAE 仿真分析的方法可以计算电机的磁场。



图7

电机的振动是目前电机结构设计最关注的问题，分别由电磁振动、机械振动、气体振动三部分组成。电磁振动是由电机气隙中磁场的相互作用，在转子和定子上产生随时间和空间变化的电磁力，使电机产生振动。机械振动是由转子的不平衡、轴承等机械结构或装置引起的振动。气体振动是由电机通风部件中的空气流动或由空气动力引起的振动。电磁振动是许多大中型电机的主要振动源。由于电机的电磁振动是电机电磁场和电机结构相互作用的结果，那么利用磁-固耦合振动理论来研究电机的电磁振动是寻找电机电磁振动产生机理以及解决电机电磁振动最有效的方法。由于电磁力是电机电磁振动的激励源，其计算的精度决定了电机电磁振动的计算精度， 所以目前在电机电磁振动的研究中大多采用数值分析法来计算电机的电磁力。



图8
在电机结构振动噪声计算分析中，主要包含以下几个部分：
1)动力学分析：包括模态分析；谐响应分析；转子振动分析；转子、定子、机座耦合振动分析；定子及底座振动分析；共振、临界转速分析，瞬态响应特性；
2)噪声分析：由电机振动引起的振动噪声、电机风扇引起的气动噪声等；
3)多物理场耦合分析：电机电磁、热、流体、结构相互作用。
将有限元分析软件应用到电机结构设计中，使对于电机机械的计算结果更准确，直观。对于复杂的电机结构，及多变的载荷形式，计算结果比传统计算手段准确得多。
3、异步电机的力波分析小结
异步电机振动第一部分振动频率主要的是2f1（二倍电源频率）的振动，主要由气隙磁场的基波产生；第二部分振动频率是定子和转子齿谐波相互作用的力波，他们是电磁振动噪声的主要分量。为了清晰了解异步电机的主要振动频率成分，总结如下：
气隙中的主要磁势波：
其中Z1是定子齿数，Z2是转子槽数，为相对定子的基波旋转角速度,为转子u次谐波角速度。




力波介数n=uz+vz和n=uz-vz，通常采用列表的方式计算出阶数较小的力波，关于力波列表这里不在介绍，感兴趣的参考舒波夫《电机的噪声和振动》一书。通过电机的相关参数可以计算出振动的主要力波，通过CAE分析或者试验可以对电机转子和定子的固有频率进行分析，如还可以对电机的齿槽配合进行分析，在设计电机的时候必须考虑力波的频率和定子和转子的固有频率，避免共振。