ВИБРОШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Целью данной статьи является выявление способов снижения виброшумовых характеристик (далее по тексту ВШХ) трехфазных асинхронных двигателей на стадии их проектирования.

Вибрации и шумы магнитного происхождения вызываются радиальными и тангенциальными моментами и силами. Так же влияние оказывает жёсткость колебательной системы, определяющая собственную частоту колебаний. Для снижения вибраций и шумов магнитного происхождения были предложены следующие действия [1]:

а. снизить интенсивность источников вибраций (т.е. уменьшить влияние магнитного поля, моментов и усилий при выборе оптимального соотношения зубцов статора и ротора, электромагнитных нагрузок и т.д.);

б. выбирать оптимальные жёсткостные характеристики;

в. применять виброгасительные средства (динамические виброгасители, виброизоляция, демпфирование).

Для трёхфазных асинхронных двигателей (при стандартных частотах питающей сети 50-60 Гц), в зависимости от количества полюсов, определены зоны частот, в которых проблема доводки магнитных ВШХ к уровню желаемых наиболее сложная [3]:

а. для двухполюсных двигателей: 100, 1000-3500 Гц;

б. для четырехполюсных двигателей: 100, 600-2500 Гц;

в. для шестиполюсных двигателей: 100, 500-2500 Гц;

г. для восьмиполюсных двигателей: 100, 400-2000 Гц.

Исследуя данную проблему на примере четырёхполюсного асинхронного двигателя получены следующие выводы и предложения:

1. Динамические деформации, вызванные магнитными силами, можно уменьшить, выбрав более рациональное соотношение чисел пазов ротора z₂ и статора z₁. Если не имеется возможности применить средства виброгашения, то предложенное мероприятие наиболее существенно снижает магнитные ВШХ.  Для выбора соответствующих благоприятных соотношений z₁ и z₂ следует придерживаться общих условий [3]:

а. r – порядок силовой волны (зависит от соотношения числа пазов), по возможности должен быть наибольшим;

б. частота f силовой магнитной волны с порядком r должна быть достаточно отдалена от частот f_skr свободных колебаний любых порядков, тем более от частот свободных колебаний этого же порядка:

                                         f < 0.8f_skr или f > 1.3f_skr                                             (1)

Опираясь на теоретические и практические исследования для четырёхполюсных двигателей выбор соответствующих благоприятных соотношений чисел пазов статора и ротора следующий:

                                                z₂ = z₁ + 2kp                                                         (2)

при k = ±2; ±3…, k≠0; ±1.

Также числа пазов можно выбирать по условию:

                                              z₂ = z₁ + (2k+1)p                                                    (3)

при k = 0; ±1; ±2…

Однако от такого выбора соотношений чисел пазов ВШХ наиболее сильно будут зависеть от эксцентриситета воздушного зазора [2].

В некоторых случаях для четырёхполюсного двигателя применимо следующее условие:

                                                  z₂ = z₁ ± 2p                                                         (4)

Такой выбор соотношений чисел пазов может повлиять на кривую момента, а именно давать провалы. Следовательно, в этом случае необходимо применение скоса пазов [1].

2. Условия выбора соотношений чисел пазов из п. 1 следует проверять по моментным характеристикам.

3. Исходя из опытных данных соотношения чисел пазов в некоторых отдельны случаях не отвечают условиям п. 1 для достижения желаемые ВШХ. В табл. 1 предоставлен информационный материал для подобных соотношений чисел пазов отдельных типов двигателей.

Таблица 1.

Соотношения чисел пазов отдельных типов двигателей

4. Чтобы ограничить усилия от высших гармоник поля применяется скашивание пазов статора или ротора [3]:

а. на целое пазовое деление ротора - z₁ > z₂ ;

б. на целое пазовое деление статора - z₁ < z₂.

5. Выбор воздушного зазора зависит от энергетических показателей и его следует подобрать максимально допустимым, так как от этого высшие гармоники значительно уменьшаются [2].

6. Для уменьшения влияния низкочастотных магнитных сил (а также сил одностороннего притяжения) необходимо установить допуски несоосностей (биение железа ротора относительно шеек вала, несоосность расточки статора и замков корпуса, несоосность гнезд и замков щитов), соответствующих заданным значениям эксцентриситета воздушного зазора (не превышающих 10% воздушного зазора) [1].

7. Конструкция статора двигателя, в первую очередь определяемая требованиям прочности, в зависимости от ВШХ имеет дополнительные условия:

а. на узлах крепления двигателя (фланцы, лапы) необходимо свести к минимуму собственные частоты во избежание резонансных колебаний. Для чего рекомендуется выполнять конструкции щитов и корпуса максимально простыми и симметричными;

б. создать условия для качественной прессовки пакетов железа (давление прессом должно составить не менее 40 - 50 кг/см²) [2];

в. обеспечить гарантированный натяг при посадке пакета статора в корпус.

8. В табл. 2 для ориентировки даны предельные значения индукций в зазоре и величины зазоров, соответствующие ВШХ электродвигателей, удовлетворяющих требования МЭК и ISO при соблюдении вышеуказанных условий [2].

Таблица 2.

Значения индукций в зазоре и величины зазоров

9. Не рекомендуется применение дробного числа пазов статора на полюс и фазу.

10. Мероприятия, перечисленные выше, не существенно влияют на главные показатели электрических двигателей, таких как: главные размеры, нагрев, рабочие характеристики и т.п.

Для дальнейшего уменьшения ВШХ следует применять мероприятия, которые будут более значительно влиять на характеристики, главные показатели двигателя и конструктивные особенности:

а. увеличение скоса пазов до двухпазовых делений;

б. укорочение шага обмотки статора с целью подавления высших гармоник поля;

в. применение закрытых пазов ротора (уменьшается интенсивность зубцовых магнитных полей);

г. увеличение жёсткости корпуса способствует уменьшению низкочастотных магнитных сил и т.д.

Список литературы:

1. Муркес Н.И. Шум электрических машин // Борьба с шумом на производстве / Муркес Н.И., Городецкий Э.А., Каплин А.И. – М.: Машиностроение, 1985. Воронкин В.А. Малошумные ПК и ПС для ЭМ с требованиями по виброакустике // Электротехника / Воронкин В.А., Евланов В.В. – 1992. - № 8-9. - С. 17-21.
2. Геча В.Я. Исследование динамической магнитострикции изотропной электротехнической стали и вибраций электродвигателей // Вибротехника / Геча В.Я., Кондратьев Н.В., Смирнова Л.П. – 1987. – № 2. – С. 56-62.
3. Захаренко А.Б. Исследование соотношений размеров и параметров, оптимизированных асинхронных двигателей // Электротехника / Захаренко А.Б., Лопухина Е.М., Тараненко Е.Н. – 1997.  – № 4. – С. 12 – 18.