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多相电机噪声Chapter1:电机噪声的产生与辐射(附件下载赠电子书)

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导读:国内电机噪声理论介绍书籍几乎凤毛麟角,市场上难得一见的书籍也大多是上世纪80年代出版的,近年来大家对电机噪声的研究热情高涨,而同行们对此类理论书籍的缺乏都是感同身受。
融声奇科技技术团队已对国外出版的介绍电机噪声理论的经典书籍《Noise of polyphase electric motors》进行了翻译,并以独家连载方式为大家系统而全面的介绍电机噪声理论知识、产生机理及控制方法,希望为国内关注电机噪声的工程师、科研人员、高校学生和企业管理者等人员提供一些帮助和学习交流。

一、电机噪声的产生与辐射

1、振动、声音与噪声
振动是弹性体质点或振动粒子在平衡位置受外界干扰时,在其平衡位置沿相反方向上做的有限往复运动。对于振动而言,弹性体系统必须具有两个特征:弹性和质量。振幅是弹性体或振动粒子偏离其平衡位置的最大位移。
声音被定义为通过介质(空气或固体、液体)传播、能被人听觉器官所感知、频率范围约为20-20000Hz的振动。音调是由声波频率决定的单音声音。高频(短波长)声音的音调高,低频(长波长)声音的音调低。
噪音是一种令人厌烦的或不想听到的声音。空气噪声和固体中传播的结构噪声在产生机理上是不同的,空气噪声是指由于大空气团的运动和高气压所导致的,而结构噪声是由固体的振动产生的。
2、声波
声波是由振动物体产生的,可以定义为以有限速度在介质中向前传播的机械扰动,声波可以看作是小振幅绝热振荡(附录A),可以采用波速、波长、频率和振幅来描述其特征。在空气中,声波是纵波,即粒子振动方向与传播方向相同。换言之,质点的运动方向平行于能量的传输方向。横波是质点振动方向垂直于声波传播方向的波,主要存在弹性介质中,如绳子传递的波和电磁波等。
只有横波可以被极化,即可以具有指向性。极化波只会在与其传播方向垂直的方向上振荡。例如,电磁波的极化被定义为电场矢量方向。电场矢量垂直于波传播方向和磁场矢量。通过某些极化过程,非极化波也能形成极化波,例如,绳索中的非极化波通过一个窄的缝隙时而被极化。
声波不能被极化。非极化波可以在垂直于行进方向的平面上作任何方向上的振荡,并且 没有特定的极化平面。
所有声波具有如下共性及特征:
  • 反射,当声波从一种媒质入射到声学特性不同的另一种媒质时,在两种媒质的分界面处将发生反射,使入射声波的一部分能量返回第一种媒质。

  • 折射,即波从一种介质传播到另一种介质时,传播方向发生改变;

  • 衍射,即波展开的过程,例如,当它们穿过小狭缝或绕过障碍物时;

  • 散射,即运动方向的改变;

  • 干涉,频率相同的两列波叠加,使某些区域的振动加强,某些区域的振动减弱,而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。

  • 吸收,即入射声波作用在介质上而不被反射回去;

  • 色散,即不同频率波的分离。
声音的幅值可以用声压级(SPL)、声强级(SIL)、声功率级(SWL)和声能量密度(SED)等指标表征(附录A)。
人耳可以感知频率范围大约在16~20000Hz(音频范围)且具有足够的强度的声音。人耳所能感受到的声波的最小强度称为听觉阈值,它会随着声波频率的变化而变化。图1.1给出了整个音频范围的可听域。人耳可感知的声强范围为1e-12~1W/m2,相当于20μPa的声压。人耳感觉疼痛的最大声强被称为痛阈。而听起来特别大的声音(疼阈值),其压强仅为100Pa。在图1.2中列举了一些环境噪声水平的比较,常见噪声的典型声源声功率级如表1.1所示。
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图1.1 声强和可听域与频率的关系

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图1.2 环境噪声水平比较

表1.1 典型声源声功率级

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3、电机噪声源
人们所关注的电机振动频率范围一般在0-1000Hz,而噪声频率在1000Hz以上。电机的振动和噪声可分为以下三类:·电磁振动和噪声:与电机高次空间和时间谐波、偏心、相间不平衡、槽开口、磁饱和、铁芯磁致伸缩与叠片等相关,;
  • 机械振动与噪声:机械部件产生的振动噪声,特别是轴承有关的振动和噪声;

  • 气动噪声:冷却空气流动产生的空气动力噪声。

  • 负载状态下的噪声源主要包括:

  • 电机与负载耦合而产生的噪声:例如,轴不对中、皮带传动、带有绳索的电梯滑轮、齿轮、联轴器、往复式压缩机;

  • 电机安装在基础或其他结构上而产生的噪音。
噪声通过介质(结构、空气)从噪声源传输到噪声的接收者(人、传感器)。电机噪声的产生和传播过程如图1.3所示,相关声学基本原理详见附录A。

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图1.3 电机噪声的产生和传播
① 电磁噪声
电磁振动噪声是由电机内的电磁场引起的(见第2章)。电机定子和转子在气隙中产生磁通密度波:
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假设定子在气隙中所产生的磁通密度波为:

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转子产生的磁通密度波为:

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则它们在气隙中的合成磁通密度波为:    
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式中,
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式1.1给出的结果与气隙中的电磁力(或称电磁压力)波成正比,
幅值:
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角频率:
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阶数:
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相角:
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电磁力(或麦克斯韦压力)波作用于定子和转子的径向表面而引起结构变形,从而产生振动和噪声。
开口槽、绕组分布、输入电流波形畸变、气隙磁导波动、转子偏心和相间不平衡等都会引起机械变形而引发振动。磁动势的空间谐波、时间谐波、槽谐波、偏心谐波和磁饱和谐波等均会产生高次谐波力和转矩。尤其在交流电机中,作用在定子和转子上的径向力波会产生磁路畸变。
定子—机座(或定子—外壳)结构是电机噪声的主要辐射源。如果径向力的频率接近或等于定子机座系统的某阶固有频率,将会发生共振,导致定子系统变形加剧,从而辐射较强的振动和噪声。
电机除了受气隙麦克斯韦力引起的噪声外,还会受到低频2f、高阶r=2p  的径向力所引起的磁致伸缩噪声( f是基频, p是极对数),尽管磁致伸缩产生的径向力可达到气隙磁场产生的径向力的50%左右,然而在大多数情况下,电机的磁致伸缩噪声可以忽略不计。
在逆变器供电的电动机中,由于定子绕组电流中的高次时间谐波,而时间谐波会产生附加的脉动转矩。这些附加转矩通常要比空间谐波产生的脉动转矩大。此外,整流器的电压纹波通过中间电路传输至逆变器,产生另一种脉动转矩。
② 机械噪声
机械振动和噪声(见第7章)主要与轴承类型、轴承缺陷、轴颈椭圆度、轴瓦接触面、弯曲轴、转子不平衡、轴不对中、联轴器、万向联轴节及齿轮等因素有关。应对转子进行精确动平衡,可以大幅减小振动。转子不平衡引起转子振动和偏心,进而激发定子、转子和支撑结构振动而辐射噪声。电机中常用的轴承类型有滚动轴承和滑动轴承。
滚动轴承产生的噪声主要取决于轴承零件的加工精度、外圈的固有频率、转速、润滑条件、公差、对中、载荷、温度和异物的侵入等。
滑动轴承的噪声通常要比滚动轴承小。滑动轴承的噪声主要与滑动表面的粗糙度、润滑、轴承中油膜的稳定性和涡动特性、制造工艺、质量和安装等因素有关。
③ 空气动力噪声
电机中的空气动力噪声主要来源(见第7章)是风扇。空气流经途中的任何障碍都会产生噪音。在开式电机中,内部的风扇噪声由通风口直接辐射出来。在全闭式电机中,外部风扇是主要噪声源。
根据风扇噪声的频谱分布,存在宽带噪声(100~10000Hz)和汽笛声(单频噪声)。通过增加叶轮与挡风板之间的距离,可以消除汽笛声。
未完待续……
如需多相电机噪声书籍原文电子版,请分享本文到朋友,截图发给仿真小助手微 信(fangzhenxiu999)索取。

二、写在最后

1、电机NVH性能高级培训(长期招收)
即日起,仿真秀平认证机构武汉融声奇科技有限公司联合发起电机NVH性能高级培训,长期招生,欢迎广大学员报名。通过仿真秀平台报名线下培训可获得平台专属福利,详情咨询仿真小秘书(见文末)。

本课程可作为电机厂、新能源汽车厂等产品工程师、研发工程师或者NVH工程师技术及能力提升的重要课程,适合的学员如下:

  • 电机企业产品设计负责人、设计工程师

  • 电机企业NVH仿真负责人、NVH工程师

  • 电机企业电磁仿真负责人、电磁工程师

  • 汽车企业三电部门负责人、工程师

  • 汽车企业NVH部门负责人、NVH工程师

  • 轨道交通行业电机NVH工程师等

  • 高校老师、学生

  • 其他相关人员

通过此次培训,预期使学员具备以下能力:

(1)了解电机的基本工作原理;

(2)掌握电机电磁噪声的产生机理;

(3)掌握电机电磁转矩波动特性;

(4)掌握电机电磁力波特性;

(5)掌握电机电磁力与结构模态之间的耦合关系;

(6)掌握电机电磁噪声分析方法;

(7)掌握电机系统低噪声设计的关键方法;

(8)掌握电机噪声电磁影响因素及控制方法;

(9)掌握电机多转速多工况电磁场计算方法和流程;

(10)掌握电机模态计算方法及模态特性分析;

(11)掌握电机多转速多工况振动计算方法和流程;

(12)掌握电机多转速多工况声辐射计算方法和流程;

(13)掌握电振动特性分析及噪声辐射特性分析;

(14)掌握电机电磁噪声优化分析方法;

(15)电机电磁噪声仿真分析流程案例实操及优化案例演示。
以下是培训安排内容
第一天:电机基本原理、电磁噪声产生机理及电磁力分析
时间
详细内容
备注
9:00-9:30
电机中常用的电工定律
电路基本原理
电磁学基本原理
9:30-10:00
电机电磁力理论模型介绍
径向电磁力理论模型
电机转矩脉动理论模型
9:30-10:00
电机电磁噪声发生机理及其贡献量分析
麦克斯韦力
磁致伸缩效应
洛伦兹力
10:30 -10:45
茶歇
10:45-11:45
永磁同步电机电磁力与结构模态之间的耦合关系
径向电磁力及电机结构共振条件
电机结构共振与强迫振动区别(结合案例说明)
11:45-13:45
午餐
13:45-14:30
电机电磁噪声仿真分析方法和流程
电磁噪声仿真分析技术路线
电磁噪声仿真分析流程
14:30-15:30
电机电磁有限元建模及分析
建立电磁有限元网格模型
边界条件设置
求解计算及其后处理
15:30 -15:45
茶歇
15:45-16:30
电机多转速电磁有限元建模及分析
不同转速工况电磁模型边界条件设置
不同转速点电磁计算
不同转速工况磁密结果导出
16:30-17:00
电机多转速工况电磁力计算及分析
多转速转矩脉动计算及后处理
多转速电磁力计算后处理
电磁力载荷结果输出
17:00-17:15
答疑、互动
第二天:多转速工况电机电磁噪声分析及优化
时间
详细内容
备注
9:00-9:30
电机结构网格划分
几何清理
电机网格划分
网格质量检查
9:30-10:30
电机结构模态计算及分析
电机模态计算边界设置及求解
电机模态结果分析
10:30 -10:45
茶歇
10:45-11:30
多转速工况电机振动计算及分析
多转速电机振动计算边界设置及求解
多转速电机振动结果分析
11:30-11:45
电机声学网格划分
电机声学网格划分注意事项
电机声学网格划分
11:45-13:45
午餐
13:45-15:30
多转速工况电机声辐射计算及分析
多转速工况电机声辐射计算边界条件设置及求解
多转速工况噪声计算结果分析
15:30 -15:45
茶歇
15:45-17:00
电机电磁噪声优化过程演示
电机低噪声优化问题分析
确定优化变量、优化目标和优化工况
优化分析条件设置及求解
优化结果分析
17:00-17:15
答疑、互动

2、培训讲师

张吉健仿真秀专栏作者,融声奇科技技术总监,主要从事NVH分析,拥有丰富的工程经验、资深的专业背景,具备多年噪声领域项目仿真咨询、软件开发、测试及培训等经验。熟练掌握声学、流体、结构、电磁等CAE软件,多学科及多物理场的协同仿真经验非常丰富。曾主持完成电机或电驱动总成NVH分析与优化(多款电机)等工程降噪咨询项目、风机噪声仿真分析降噪项目、汽车风噪声车型开发(多款车),同时也开发了电机电磁力计算软件、电机电磁噪声分析软件(半解析法)及电磁噪声优化分析软件等。

杨高:融声奇科技特邀专家,博士,中船重工集团公司高级工程师,主要从事永磁电机、磁场调制电机等特种电机的开发工作,拥有丰富的工程经验、资深的专业背景,具备多年电机相关项目的工程研制、仿真分析、软件开发和电机测试等经验,主持完成了多项国家电机重大科研项目。

3、最新培训时间和地点

培训时间:2021年6月24-25日(共2天)

培训地点:武汉

4、培训费用

  • 培训费:5000元/人,三人以上(含3人)或学生享受九折优惠价。
  • 该费用不含食宿费,培训期间可统一安排食宿,费用自理,并为学员出具正式发票。
  • 参加本次高级培训的学员,均颁发融声奇科技的“电机NVH性能高级培训”证书。

5、报名方式

联系人:仿真小秘书 刘老师

电话:15321399867 刘老师(微同)

邮箱:service@fangzhenxiu.com

温馨提示:参加培训请自带电脑,请于6月23日之前使用邮件、电话报名,我们期待您的参与。

推荐关注:仿真秀平台认证机构

武汉融声奇科技有限公司(以下简称“融声奇科技”)是一家专业的声学仿真与工程降噪咨询服务及软件开发提供商。融声奇科技服务于电机、汽车、风机、船舶等高端制造领域,并致力于为上述领域的客户提供行业领先的噪声和多物理场仿真分析以及标准化流程的工程解决方案,我们脚踏实地,死磕自己,将始终坚持“追求卓越,勇于创新,静无止境”的工匠精神,为客户提供专业、高效的降噪工程咨询、软件开发和技术支持。旨在为我们的客户提高产品研制水平、缩短产品研制周期、降低产品研制费用,使其在激烈的产品竞争中处于领先地位。

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免费Noise-of-polyphase-electric-motors.pdf
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首次发布时间:2021-05-14
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