结构设计、噪声和振动.pptx

1、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

2、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1

3、5mm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

4、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

5、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.

6、 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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、,（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：210-5 Pa； 能使人耳产生疼

12、痛感觉的声压是：20 Pa； 声压级： 单位：分贝（dB） 声压； 基准声压，取1000Hz时的声压，即210-5 Pa。,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。

13、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

14、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

15、、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

16、）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

17、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

18、,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

19、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

20、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

21、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