微型單相異步電動機(jī)逆序磁場的聲學(xué)效應(yīng)
張世良（福建機(jī)電學(xué)校）
【摘 要】討論含有逆序磁場的徑向力波對電磁噪聲的影響。試驗表明，逆序磁場為零與不為零兩者聲學(xué)效應(yīng)的規(guī)律基令相同，微型單相異步電動機(jī)的電磁噪聲與磁場橢圓度近似成正比。
【敘 詞】單相電機(jī)異步電動機(jī)／逆序磁場聲學(xué)效應(yīng)電磁噪聲
1引言
微型單相異步電動機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、價格低廉、維護(hù)方便等優(yōu)點而獲得廣泛應(yīng)用，如各類的檢驗室、計量室、辦公室和家庭臥室等場所，環(huán)境噪聲通常較低，一般為35～40db(a)，所以必須進(jìn)一步探討微型單相異步電動機(jī)的噪聲控制。
單相異步電動機(jī)和三相異步電動機(jī)工作時的主要區(qū)別在于前者旋轉(zhuǎn)磁場在一般情況下為橢圓形，后者為圓形。橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場可分解為一系列具有各次諧波的正序圓形旋轉(zhuǎn)磁場和逆序圓形旋轉(zhuǎn)磁場（以下簡稱正序磁場和逆序磁場）。當(dāng)單相異步電動機(jī)處于對稱的特殊狀態(tài)運行時，逆序磁場為零，電機(jī)內(nèi)只有正序磁場存在。僅有正序磁場時的微型單相異步電動機(jī)產(chǎn)生的力波的行為及其聲學(xué)效應(yīng)與微型三相異步電動機(jī)相同。本文僅介紹微型單相異步電動機(jī)含有逆序磁場時的力波行為及其聲學(xué)效應(yīng)。
2含有逆序磁場的徑向力波的聲學(xué)效應(yīng)
單相異步電動機(jī)橢圓形旌轉(zhuǎn)磁場可分解為一系列具有各次諧波的正序磁場和逆序磁場。兩序別的各次諧波磁場相互作用，產(chǎn)生徑向力波和切向力波，施加于定子和轉(zhuǎn)子的鐵心上，使鐵心出現(xiàn)周期性的彎曲變形、扭轉(zhuǎn)變形及其相應(yīng)的徑向振動和切向振動。這些周期性的振動轉(zhuǎn)換成空氣噪聲，被入耳所感覺。對微型異步電機(jī)言，定子鐵心有足夠大的抗扭強(qiáng)度，轉(zhuǎn)子又是整個電機(jī)中剛度****的部件，能有效地防止變形，所以，電機(jī)的電磁噪聲主要是徑向力波引起的定子鐵心彎曲變形。
2.1含有逆序磁場的徑向力波的電磁噪聲
單相異步電動機(jī)正序和逆序磁場產(chǎn)生的徑向力波為時間和空間的周期函數(shù)，作用于氣隙與鐵心的分界面上。單位面積鐵心上作用的徑向力波fr，可由馬克斯韋定理求得，即：
式(2)和(3)中，下標(biāo)f和b分別表示正序和逆序。口和肛分別表示定子和轉(zhuǎn)子的諧波序數(shù)，以整數(shù)表示，zz為轉(zhuǎn)子槽數(shù)。
將(2)代入(1)，并略去對電機(jī)的振動不起作用的恒定分量，以及對電機(jī)的振動和電磁噪聲影響有限的極對數(shù)多、幅值小的分量，整理得：
式(4)中，第1和2項系氣隙中正序和逆序磁場的基波分量產(chǎn)生的，是電機(jī)中不可避免的主要振動分量之一。可是，從聲學(xué)上看，或說從人耳對聲波的生理響應(yīng)上看，人耳對這類2倍電網(wǎng)頻率的噪聲的響應(yīng)是不太敏感的。所以，與這類主要振動分量相對應(yīng)的噪聲分量，卻不是主要的噪聲分量。主要的噪聲分量是式(4)中的第3、4、5和6等4項表達(dá)式所確定的力波產(chǎn)生的相應(yīng)噪聲務(wù)量。這些力波是由與正序和逆序磁場相關(guān)的定子齒諧波同轉(zhuǎn)子齒諧波相互作用產(chǎn)生的。它們的特點是力波極對數(shù)少，幅值一般都較大，頻率又處于人耳對聲波響應(yīng)敏感的范圍內(nèi)，故對電磁噪聲甚有影響。
從式(4)可看到，當(dāng)電機(jī)內(nèi)同時存在著正序和逆序磁場時，所產(chǎn)生力波的頻率與只存在正序磁場時產(chǎn)生的力波頻率是相同的。此現(xiàn)象表明，兩種不同幾何圖形的旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的徑向力波引起定子鐵心變形及其相應(yīng)的聲學(xué)效應(yīng)存在著相似規(guī)律。可見，單相異步電動機(jī)與三相異步電動機(jī)的電磁噪聲之間存在著某種程度上的相似規(guī)律。為查明其相似程度，特設(shè)計了2臺不同磁場的微型異步電機(jī)，作對比實驗。
為便于觀察和比較，兩臺實驗電機(jī)的電磁噪聲，既應(yīng)符合實際使用情況，又應(yīng)構(gòu)成電機(jī)噪聲級中為決定性的噪聲分量。據(jù)此，設(shè)計采取不裝風(fēng)扇和采用低噪聲軸承；定、轉(zhuǎn)子鐵心的結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同；單相電機(jī)設(shè)計為功率30w，4極，氣隙磁密為3500×l0-4t，定子采用正弦分布繞組，轉(zhuǎn)子為籠型繞組；三相電機(jī)設(shè)計為功率90w，4極，氣隙磁密為6100×10-4t，定子繞組為雙層短距，轉(zhuǎn)子為籠型繞組。
兩臺實驗電機(jī)測試結(jié)果示于圖1。
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