结构设计、噪声和振动

西北工业大学,电机设计,结构设计、噪声和振动,目录,一.电机的基本结构形式1.1结构分类1.2典型结构介绍二.结构设计的基本内容、原则和方法三.电机的噪声和振动源及抑制噪声的措施简介,一.电机的基本结构形式,影响电机总体结构的因素：电机的类别、运行条件、原动机或被传动机械的种类及传动方式、电机的容量与转速、冷却方式、防护型式、轴承型式和数目、安装方式等。,1.1结构分类,电机的总体结构可有不同的分类方法，下面简单介绍按通风冷却系统、防护型式和安装结构型式来进行分类。（一）按通风冷却系统分类空冷：自冷、自扇冷、他扇冷、管道通风、自由循环通风、封闭循环通风等；其他冷却介质：氢、水，且卫封闭循环系统,（二）按防护型式分类分为开启式、防护式、封闭式、防爆式、防水式、水密式、潜水（油）式等。1.开启式结构特点：其带电和转动部分没有专门的保护装置；适用电机：卧式、低速的中大型直流电机和凸极同步电机，低电压大电流的直流电机。因为是开启式，所以适用于干燥、室内、外部环境比较洁净的地方。,1.1结构分类,开启式电机,1.1结构分类,2.防护式结构特点：其机壳结构对电机内带电部分和转动部分有必要的机械保护，以防止意外接触，但这种保护并不显著妨碍电机的通风。分类：根据通风口防护结构的不同分为：网罩式：用铁丝网或多孔金属薄板遮盖通风口，使直径大于15mm的外物不能接触到电机的带电和转动部分；防滴式：防止垂直下落的液体或固体直接进入电机的内部；防溅式：防止与垂直线的夹角成100的范围内任何方向的液体或固体进入电机内部。适用电机：使用场所对电机无特殊要求的情况。,1.1结构分类,防护式电机,1.1结构分类,3.封闭式结构特点：其机座和端盖能阻止电机内外空气自由交换，但不要求完全密封；可以防护来自任何方向的液体和异物进入电机内部。适用电机：安装在多尘或露天（但气候不异常）场合的电机。,封闭式电机,1.1结构分类,4.防爆式（隔爆式）结构特点：其外形与封闭式电机类似，但其机座和端盖具有较高的机械强度，能承受爆炸性气体在电机内部产生的爆炸力，而且沟通电机内外的各金属接缝面均具有足够的长度，以防止爆炸时电机内部的高温气体迅速传递到电机外部。适用电机：煤矿和化工等企业中使用的电机。防爆电机作为主要的动力设备，通常用于驱动泵、风机、压缩机和其他传动机械等。,1.1结构分类,5.防水式结构特点：其机壳结构能阻止具有一定压力的水进入电机内部。6.水密式结构特点：其浸没在水中时，机壳结构能阻止水进入电机内部。7.潜水（油）式结构特点：在规定的水（油）压下，能长期在水（油）中运行。,（三）按安装结构型式分类国家标准GB99781规定，对于旋转电机，根据安装结构型式，可分为表8-1所示的9类，每类又分为若干组。（具体见书P141）,1.1结构分类,1.2典型结构介绍,无论哪种电机，结构上都是由固定（静止）、转动和过渡三大部分组成。下面简述三种主要类型的电机典型结构：（一）感应电机1、封闭式2、防护式3、箱型结构（二）同步电机1、凸极同步电机2、隐极同步电机（三）直流电机,（一）感应电机,1.封闭式基本特征：卧式、机座带底脚、有两个端盖轴承、单轴伸（根据需要也可制成双轴伸）、带内外风扇。,（一）感应电机,2.防护式基本特征：机座带底脚、有两个端盖轴承、单轴伸，采用两侧对称的径向通风系统（一般为自通风，根据需要也可制成管通风），铁心中有通风道。,（一）感应电机,3.箱型结构主要部件：外罩、底座、定子、转子和轴承。优点：1）零部件的通用性很高；2）易实现标准化；3）生产周期短、绝缘质量提高；4）机械加工量少，气隙均匀度高，下线方便，拆卸容易。,（二）同步电机,1.凸极同步电机从结构上可分为卧式和立式两大类。卧式结构使用范围：大多数同步电动机、调相机和用内燃机或冲击式、贯流式水轮机拖动的发电机；立式结构使用范围：混流式和轴流式水轮机拖动的水轮发电机和少数同步电动机。1）卧式凸极同步电机基本特征：卧式、基座带底脚、有两个端盖式轴承、单轴伸、自扇冷通风系统。,（二）同步电机,2）立式凸极同步电机主要用于水轮发电机，根据推力轴承的位置可分为：悬式和伞式。,（三）直流电机,基本特征：防护式、基座带底脚、有两个端盖轴承、单轴伸（根据需要也可制成双轴伸）、自扇冷轴向抽风式通风系统。,二.结构设计的基本内容、原则和方法,2.1结构设计的基本内容确定电机的总体结构型式，包括防护型式、轴承型式和数目、轴伸型式、安装方式、通风系统等。确定零部件的结构型式、材料、形状、尺寸、加工精度、形位公差、表面粗糙度和技术要求等。确定某些零部件之间的机械连接方式、配合种类等。核算零部件的机械性能。,二.结构设计的基本内容、原则和方法,2.2结构设计的原则应保证电机在规定期限内能安全可靠地运行；所有结构型式一般应符合有关国家标准规定，如防护型式、轴承型式、中心高、外形尺寸、安装尺寸等；尽量使零部件符合“标准化、系列化、通用化”的要求；应具有良好的结构工艺性；应考虑电机装拆和维修方便；适当注意外形美观。,二.结构设计的基本内容、原则和方法,2.3结构设计的方法包括交流电机的结构设计和直流电机的结构设计。（1）交流电机的结构设计1、确定总体结构2、确定定、转子的结构定子结构设计的内容和方法定子铁心：确定轴向和周向固紧方式，径向通风道元件的结构；采用扇形片时，确定扇形片划分、鸽尾槽数目、尺寸、布型；大型还要确定铁心两端阶梯部分的具体结构；定子绕组：应先计算和作图求得端部尺寸；确定固定方式；作出定子的分装草图。,二.结构设计的基本内容、原则和方法,转子结构设计转子铁心：如同步机确定磁极和磁轭的详细结构尺寸固紧方式；如其它转子铁心，除具有轴向通风道时要确定相应的结构外，其它与定子铁心情况相似；转轴：设计转轴各档部分尺寸，加工精度，形位公差，表面光洁度；核算转轴的机械强度。转子铁心与转轴组合：套轴式、支架式。决定转子铁心和转国的径向尺寸的关系；作出转子草图。,二.结构设计的基本内容、原则和方法,端盖结构和尺寸主要根据通风系统、绕组对地绝缘距离、轴承套结构及端盖的刚度与强度等方面的要求确定。作出总装草图，同时布置风扇校核各部件的相对位置，必要间隙是否适当，安装、外形尺寸是否符合要求；制造装配拆卸维修是否方便，进行必要的修改，逐步给出零件图，详细准确的总装配图，校核总装尺寸。,二.结构设计的基本内容、原则和方法,（2）直流电机的结构设计直流电机与交流电机大体相似，只是电枢在转子上磁极在定子上，且有换向极。,三.噪声和振动,噪声是一种不同频率和不同强度无规律地组合在一起的声音。缺点：影响人们生活和工作；使物理装置和设备疲劳或失效；干扰其他信号。因而，必须采取一定的措施，将噪声减少到允许限度以内。电机是一种噪声源。它的噪声水平是衡量质量标准的一项重要指标，且在市场竞争中也是一个重要因素。,三.噪声和振动,电机产生的三类噪声及其振动源分类,三.噪声和振动,（一）噪声的一般概念（1）噪声的物理量度（2）噪声的测量（3）噪声和振动的标准,三.噪声和振动,（1）噪声的物理量度声压级物体产生机械振动时，振动在弹性介质（包括气体、液体和固体以及等离子体）中以波的方式进行传播，这个弹性波就是声波。声波是疏密波，随着发声体的振动，使周围空气时而变密，时而变稀，并以波的形式向远处传播。空气变密时，压力增高；变稀时，压力降低。因而，由于声波的存在使空气压力产生迅速的起伏，气压的起伏部分称为声压。声压可用来衡量声音的强弱。声压以p（有效值）表示，单位为Pa。,三.噪声和振动,正常人耳刚能听到的声压是：210-5Pa；能使人耳产生疼痛感觉的声压是：20Pa；声压级：单位：分贝（dB）声压；基准声压，取1000Hz时的声压，即210-5Pa。,三.噪声和振动,（1）噪声的物理量度声强级和声功率级声功率:声源在单位时间内辐射出来的总声能；单位为W；声强I:在垂直于声波传播方向、单位时间内通过单位面积的声能。单位为W/m2。当声波为正弦波且按平面波形式传播时，声强和声压的关系：介质的特性阻抗传播声波的介质密度介质中的声速,三.噪声和振动,声功率级：声强级：基准声功率基准声强,三.噪声和振动,（1）噪声的物理量度噪声的频谱正常人能听觉到的声音的频率范围一般为2020000Hz。噪声测量中最常用的是：倍频程和1/3倍频程倍频程：上下限两个频率值之比为2:1的频带，即1/3倍频程:将一个倍频程按关系再分为三段频带，即中心频率：某一频程上限频率和下限频率的几何平均值，即目前通用的十个倍频程的中心频率为31.5、63、125、250、500、1000、2000、4000、8000、16000Hz。实际上，测量噪声时通常只需要使用中心频率为638000Hz的八个倍频程，它们所包括的频率范围如表9-1所示。,三.噪声和振动,（1）噪声的物理量度响度级人耳对声音的感受，不仅和声压有关，而且也和频率有关。对声压级相同但频率不同的声音，听起来是不一样响的，频率高的比较响。所以，我们用响度级把声压和频率统一起来，来表示声音响度的高低。,三.噪声和振动,（2）噪声的测量常用的噪声测量仪器：声级计、频谱分析仪和自动记录仪。声级计：可单独测量声级，还可接入带通滤波器，对噪声进行频谱分析仪。频谱分析仪和自动记录仪：噪声通过一组倍频程带通滤波器，得到倍频程噪声频谱，自动记录仪可自动记录声级和频谱图。,三.噪声和振动,（3）电机噪声和振动的标准我国GB755-81电机基本技术要求规定：电机的噪声限值分为N级（普通级）、R级（一级）、S级（优等级）和E级（低噪声级）四个等级。电机的振动限值分为N级（普通级）、R级（一级）、S级（优等级）三个等级。表9-2、9-3分别给出了N级的A计权声功率级的噪声限值和电机的振动限值。,三.噪声和振动,（二）电机的电磁振动噪声,定、转子绕组磁势,气隙磁导,气隙磁场,作用于电机铁心,电磁力,电磁振动,电磁噪声,定子铁心齿上的磁力,径向分量：使定子铁心产生振动变形,切向分量：与电磁转矩相对应，使齿对其跟部弯曲，并产生局部振动变形,电磁噪声主要来源,电磁噪声次要来源,三.噪声和振动,（1）定子绕组和转子绕组的磁势由于在分数槽绕组磁势中常会出现分数次谐波，不便于计算，所以把波长等于电枢周长（p为极对数，为极距）的2极波作为基准波，其它各次谐波的次数也均相应地增加p倍，因此谐波的次数等于其极对数。,（1）定子绕组和转子绕组的磁势气隙合成磁势可表示为：,式中，主波合成磁势,定子绕组谐波磁势,转子绕组谐波磁势,三.噪声和振动,定、转子绕组磁势中的齿谐波不会因为采用短距或分布绕组而削弱，它是引起电磁噪声的最主要根源。,（2）气隙磁导感应电动机定、转子都有齿槽时的气隙磁导可表示为：,式中，为气隙磁导的不变部分；为转子光滑时定子一阶齿谐波磁导幅值；为定子光滑时转子一阶齿谐波磁导幅值。,三.噪声和振动,（3）气隙磁场当忽略铁心磁阻时，气隙磁密的瞬时值可表示为：,主波磁场,式中，Ks为考虑铁心磁阻影响的磁饱和系数。,三.噪声和振动,由定子绕组磁势建立的谐波磁场,式中，,由笼型转子绕组磁势建立的谐波磁场,式中，,三.噪声和振动,定子气隙磁导一阶齿谐波磁场,式中，,转子气隙磁导一阶齿谐波磁场,式中，,三.噪声和振动,（4）气隙磁场产生的径向力根据麦克斯韦定律，在电机气隙中单位面积径向电磁力的瞬时值可表示为：,主波磁场产生的力波,式中，,径向力的不变部分,径向力的交变部分,三.噪声和振动,定、转子绕组谐波磁场产生的力波,由定、转子绕组谐波磁场所产生的径向力为,忽略和，将,代入得,定子绕组磁势：,转子绕组磁势：,力波的次数r,力波幅值,三.噪声和振动,次数越低，铁心弯曲变形时相邻两节点间的距离就越大，变形就越大，所引起的振动和噪声就越大。,力波的次数r,三.噪声和振动,三.噪声和振动,为什么要忽略和两项？代表定子谐波磁场的作用，它产生双倍电源频率（2f1）的交变激振力、振动和噪声，由于频率低，对A计权总声级的影响不大，可忽略；和产生的力波次数分别为2和2，次数较高，因此所引起的振动和噪声一般均小，可忽略。,定、转子气隙磁导一阶齿谐波磁场所产生的力波,定子气隙磁导一阶齿谐波磁场,转子气隙磁导一阶齿谐波磁场,所产生的力波,导致振动的力波次数r,与定转子槽数Z1和Z2有关；若槽数配合不当，会使力波次数r较低，而产生较大的电磁振动和噪声。,三.噪声和振动,因此，为了避免出现次的力波，要求,由于更高次数力波所引起的振动幅值较小，在中小型电机中不予考虑。,三.噪声和振动,（5）斜槽对电磁振动的影响感应电动机采用斜槽（通常为转子斜一个定子槽距）时，其磁势和磁导齿谐波所产生的径向力比直槽情况下要小得多，因此振动噪声也相应减小。,三.噪声和振动,（6）气隙偏心对电磁振动的影响由于制造公差和运行磨损，转子外圆和定子内圆之间会产生偏心。偏心分为静偏心和动偏心。,措施：提高制造工艺；设计电机时避免出现次数比较低的力波，来减少电机气隙偏心后所产生的电磁振动。,气隙偏心,气隙磁导变化,新的磁场谐波,新的阶次力波，产生振动和噪声,三.噪声和振动,（7）磁路饱和对电磁振动的影响磁路饱和会使感应电机气隙中的主磁场空间分布波形出现“平顶”形状，从而产生附加磁场，该附加磁场与定转子的谐波磁场相互作用会产生低次力波，进而导致较显著的电磁振动。,三.噪声和振动,（8）电机定、转子的固有振动频率,三.噪声和振动,降低电机的振动和噪声,减少电磁激振力的幅值,共振,当定转子的固有振动频率和电磁激振力的频率相等或接近时，很小的电磁激振力也会因共振而产生较大的振动和噪声。,因而，在电机设计阶段，需要用计算的方法核算电机定转子的固有振动特性，以避免产生共振。,（三）电机的机械振动噪声电机产生机械振动和噪声包括：电机转子机械上的不平衡、轴承振动、受轴承激振而产生的端盖振动和噪声、电刷和换向器（集电环）之间的摩擦振动噪声。（1）转子机械不平衡产生的振动和噪声刚性转子的机械不平衡分为：静不平衡、动不平衡、混合不平衡。,三.噪声和振动,转子有效部分的不均匀发热和不均匀冷却，会引起转子的热不对称性，从而产生轴的热弯曲，大大加剧转子的不平衡。因此，在设计低噪声电机时，应尽量减少各种引起热不平衡的因素，如尽可能采用刚度较大的转轴，铁心和轴的配合采用热套配合等。,三.噪声和振动,卧式电机在起动过程中当转子转速达到其临界转速的一半时，有可能发生剧烈震动，这是由于转子两个相互垂直的径向上刚度的不同。因此，在要求振动小、噪声低的电机中，应设法消除转子沿两个相互垂直方向上的刚度差异。,轴颈的椭圆度会引起双倍转速频率的振动,三.噪声和振动,在电机与其他机器联结时，电机转子能否和与它联结的机器转动部分对中，将直接影响到机组的振动情况。,对中：调整支座和联轴器以保证机组轴线没有错位和倾斜。采用