电机运行噪声大故障原因分析

电机运行噪声大故障原因分析

王锋锐

中车永济电机有限公司 山西省运城市永济市044500

摘要：现代企业在生产中，机械设备在运转时，不可避免地产生振动，振动的产生必然会带来噪声。《中华人民共和国环境噪声污染防治法》中第三章第二十五条明确规定：产生环境噪声污染的工业企业，应当采取有效措施，减小噪声对周围生活环境的影响。所以，作为一个现代化企业，有责任、有义务做好生产设备噪声的治理工作。企业中，由电机旋转产生的声音是噪声重要来源之一，同时电机噪声又是衡量电机产品质量的重要技术指标。电机出厂时，制造厂已经在铭牌标注了这台设备的噪声限值。在日常运行维护时，长时间“异常噪声运行”状态严重威胁着电机的安全运转。为及时发现并消除异常现象，必须详细了解电机噪声的鉴别与控制方法，及时发现和处理隐患才能确保生产装置的连续运行。

关键词：电机；振动；噪声；频率；绕组浸漆脱落

引言

电机电磁噪声与电磁力和电机结构模态密切相关，激励（电磁力）与频响函数（模态）相互作用产生响应（振动和噪声）。电机的定子和机壳等结构是电磁噪声的主要辐射源，如果径向电磁力某次力波的频率接近或等于定子和机壳结构的固有频率，且电磁力的空间阶次与模态阶次相等时，就会出现共振现象，从而引起定子和机壳结构的形变和振动，并发出强烈的电磁噪声。异步牵引电机电磁噪声的产生机理，并以某电机为例，通过理论分析及电磁噪声仿真分析，确定了槽配合，最后通过噪声试验进行了验证，对异步牵引电机噪声指标正向设计具有一定的指导意义。

1电磁噪声产生机理

电机的定子电流产生的定子磁动势、转子电流产生的转子磁动势与气隙磁导作用产生气隙磁场，进而产生径向力波和切向力波。径向力波是电机电磁振动和噪声的主要来源，在电机运行过程中，径向力波作用于定子铁心内表面，引起定子铁心和机壳的振动，从而产生电磁噪声。

2设备概况及故障现象

一台额定功率为725kW、额定转速1490r/min的6kV交流异步电机，冷却方式为IC411。该电机于2020年7月送到某电机修理厂进行大修，返厂后运行1个月左右，技术人员反映该电机在运行时发出异常噪声，且呈逐渐增大趋势，并伴随着明显的噪音，2020年12月司进行维修。经过初步检查，电机各位置振动速度均不超过1.5mm/s，电机轴承润滑良好。用简易测振仪器检测电机振动速度时，发现最高振动值出现在500Hz附近，这个频率远大于电机转速的1倍频和2倍频，而1倍频和2倍频的振动主要与电机轴承损坏、动不平衡、不对中、地脚缺陷相关。由此判断，该噪声应该与机械振动无关。电机电磁噪声大小随磁场强弱、负载电流的大小而改变。通常可以利用电磁噪声的这种特征，对运行的电机静听一段时间后突然切断电源，随着电源的切断，部分噪声会立即消失，则可判定为电磁噪声。技术人员决定用“突然断电”的方式来进一步判断这台电机的异常噪声来源。在按下电机停运的瞬间，异常噪声并未立即消失，而是伴随电机转速的下降而减弱，技术人员可以据此确定该异常噪声不是电磁噪声。至此，技术人员基本锁定电机异常噪声的来源为空气动力噪声。电机停运后，技术人员打开风扇罩，对风扇叶和风扇罩内部进行检查，未发现风扇叶松动、开裂的现象，风扇罩内部无任何异物，可以判断噪声来源于电机内部。技术人员将电机下线送往检修厂房，拆开电机两侧端盖，抽出电机转子，电机内部轴承、绕组均未见异常，仅在非轴伸端转子内风扇底部发现有绝缘漆滴落后开裂现象。该绝缘漆是电机大修时在真空状态浸漆后，绝缘漆由于重力作用滴落在定子壳体上，原修理厂检修人员未及时清理干净所致。

3电磁噪声主要是径向力波

3.1开关频率产生的电磁力波

由开关频率产生的电磁力波在色图中呈现以开关频率的倍频为中心的伞状分布，电磁力波的频率和空间顺序如序①所示。

3.2电流谐波产生的电磁力波

电流谐波产生的电磁力波在色图中呈现低阶线，电磁力波的频率和空间顺序显示在中间序列②中。例如，如果极对数为p=3，则与第7次谐波对应的电磁力波的阶数为21或24。

3.3牙齿谐波产生的电磁力波

齿谐波产生的电磁力波在色度图、频率和空间顺序③上呈现出明显的有序线。齿次谐波包括高次谐波和一阶齿次谐波。

3.4饱和产生的电磁力波

饱和产生的电磁力波在色度图中呈现出明显的有序线，电磁力波的频率和空间顺序如表中序列④所示。饱和产生的电磁力波主要在牵引电机的恒磁通区表现明显。

4电机噪声的分类与防治

简单来说，电机运转噪声是由机械噪声、电磁噪声和空气动力噪声组合而成。电机噪声主要来源是机械噪声，大型、高速电机易产生机械噪声，转子动平衡不好、机械不对中或地脚缺陷等都会产生机械振动，引起机械噪声增大。电机定、转子部件固有频率和转速频率一致时，也会产生机械噪声。当电机装有端罩式风罩时，罩子往往被电机的振动所摇撼并发生振动，同样会产生噪声。通过提高安装质量，提高转子动平衡精度，加装抑振设施等方法可以有效减小机械振动，降低噪声。电磁噪声主要是由电磁场交替变化，引起某些机械部件或空间振动造成。此种噪声与交变电磁场特性、被迫振动部件和空间大小形状等因素有关，当电磁场消失时，该噪声也随之消失。设计时通过降低电机的气隙磁通密度，采用电枢斜槽和磁性槽楔，都是降低齿谐波和电磁噪声的有效措施。提高气隙装配时的均匀度和铁心的叠装质量，都有利于降低电磁噪声。空气动力噪声分为涡流噪声和笛鸣噪声两种。涡流噪声主要是由转子和风扇引起的冷却空气湍流，在旋转表面交替出现涡流引起的；笛鸣噪声是通过压缩空气或空气在固定障碍物上擦过而产生的，优秀的空气动力设计会有效降低此种噪声。

5电机壳体拓扑优化

通过电机振动响应分析，确定电机前端盖作为结构优化主要部件。在允用结构强度范围内，采用变密度法以提高固有频率和柔度最小为目标，以结构的相对密度为设计变量，对电机前端盖进行拓扑优化。考虑到端盖外缘和中心区域结构复杂以及与其他部件的装配关系，网格划分前对电机端盖模型进行几何清理，包括缝合自由边、删除重复的点或线，并采用六面体单元进行网格划分，网格大小尺寸为2mm，网格单元数量为44736个。优化时设定为灰色的非优化区域，绿色为优化区域，为保留前端盖防尘和降噪功能，优化时前端盖不能镂空，仅对前端盖8mm厚度区域进行优化（总厚10mm），以最小柔度为目标，结构许可材料体积分数为0.8，经过20次迭代的拓扑优化后得到前端盖拓扑优化结构。

结束语

通过全面分析,可以确定机械摩擦、电磁效应和涡流空气干扰是发动机噪声的最关键来源。因此,当需要集中精力全面消除发动机噪声时,重点应放在发动机磁场分布和定位的整体优化上。同时,电机现有的几何公差、接触面尺寸和其他元件应灵活设计,以确保使用适当的设计措施来平衡电机的静态和动态摩擦。在未来的实践中,技术人员必须完全专注于预防、控制和抑制发动机噪音的可行措施。从本质上讲,电磁噪声产生的原因在于发动机的无意设计,同时保证了发动机的稳定性和安全性,抑制了发动机的噪声。因此,为了从根本上优化电磁设计,应将其限制在额定电流和电压范围的最低振幅。同时,上述方法的应用还可以大大消除所涉及的电振荡。对于发动机滑块和其他部件,它们应该能够作为一个整体紧密连接,从而显著抑制过度振动。在优化磁路设计的基础上,设计人员可以确保它符合更均匀的线圈激励方法,以消除潜在的电磁噪声。

参考文献

[1]冯波.基于自抗扰的永磁同步电机三环控制系统的设计与研究[D].扬州大学,2022.

[2]谢威.转子单侧极靴与开槽对永磁辅助磁阻电机电磁性能影响研究[D].江西理工大学,2022.

[3]郭高胜.电动汽车用变漏磁磁场增强型电机的设计与研究[D].江西理工大学,2022.

[4]申棋仁.分布式电驱动汽车状态估计与转矩分配策略研究[D].吉林大学,2022.

[5]曹鹏宇.混合动力用乘用车双离合器变速箱振动噪声特性研究[D].吉林大学,2022.