低噪声电机设计

摘 要： 随着当代科技的逐步发展，低噪声电机的设计成为当前工业追求的目标，尤其是当ISO 14001颁布的标准之后，电机的低噪声越来越成为开发的热点之一。本文笔者首先对电机出现造成的原理进行阐述，加之目前的研究成果，运用多种学科的知识，构建了一种低噪声电机设计方法。这种设计方法具有一定的现实意义及很大的发展前景。

关键词： 低噪声；电机设计；实际应用

随着工业工程的逐步推进，电机被应用于多方面，生活和工作都离不开电机。当电机被广泛普及，我们开始追求电机的低噪，使之更好的为人们进行服务。

低噪声电机的提出是在上世纪七十年代以后，在对激振力波以及空氣动力噪声的研究之后，低噪声电机正式被行业内的研究者提出来，经过四十年的发展，在对低噪声电机的一轮又一轮设计中，噪声得到了有效的控制。

1 研究现状及问题

纵观国内市场，大多数的公司在对电机进行生产的时候，技术上的限制十分的明显。具体来说，设计师们在生产电机的时候，往往只是根据日常的经验，表现为在设计后期在对噪声问题进行考虑。弊端十分明显：设计周期长，成本十分高昂。作为消费者来说，使用满意度下降，效果并不是很好。

由此可见，在传统的设计方法之上，我们应该在设计的初期对电机的噪声进行考虑，解决声振的关系，成为低噪声电机设计的关键。

2 低噪声电机设计

2.1 电机噪声的产生原因

就理论而言，电机的噪声主要出自电磁、空气动力以及不平衡力；由系统的动特性以及声辐射特性来决定。所以对结构的动特性进行深入的分析，以此可以达到控制噪声的效果。

分析噪声源，锁定电机的相关设计参数以及噪声分贝数和参数的相关关系，进而设计出一款有效控制电机噪声的设计方案。

2.2 电机噪声控制的原则

首先，降噪的一般性原则如下：电机的噪声及不可以指定在某一水平之上，我们必须根据实际情况，采取合适的方案进行噪声控制。

其次，要减少噪声源的激发力。减少电机电磁力和空气动力产生的冲击以及涡流噪声，提高转子动平衡精度。

最后，需要降低结构中噪声辐射部件对激发力的响应。使用这种方法可以有效的抑制噪声。

除以上之外，还可以利用声反射等等手段来减少声源的传播，达到噪声控制的效果。

2.3 低噪电机设计

接下来本文以低噪声水泵为例，设计一款新型宽气隙永磁电机，转子磁极为海尔贝克阵列（Halbach Array）。基于该电机的特点，我们引入可有限元法对其电磁场的分布情况以及气隙感应进行测定。考虑到斜槽定子与转子之间的相对运动。我们对电机进行相应的实验。计算实验结果表明，设计的电机谐波低，效率高，功率因数高。

设计的集成低噪推进电机的结构如图1所示。它由三个部分组成：基本框架、吸收管道和集成推进电机装置。框架和管道之间有橡胶阻尼隔离层，吸收管道对称地安装在电机的两个端子上。选用内转子永磁电机作为原型机，功率为22.5kw。 螺旋桨嵌入转子，泵内没有中心轴。气隙中的轴向和径向轴承支撑并定位转子。 水通过定子和转子之间的气隙，为电机带来优异的冷却条件，但对绝缘材料要求高。

该永磁电机采用梨形槽。倾斜槽的数量为1。转子上永磁体的布局为尔贝克阵列。每个极由两个永磁体组成，一个在径向磁化，另一个在切向上。通过引入尔贝克阵列可以加强气隙磁通密度，同时转子的磁轭密度可以减弱。转子磁轭采用固体结构。转子的后环和叶片是一个不是导电的黄铜铸件。

3 实验验证

3.1 磁场计算

磁场计算可以推广为求解一些偏微分方程（PDE）。只有当PDE与具体问题的特定边界条件相结合时，才能获得明确的解决方案，解决过程相当复杂。考虑到永磁电机的设计精度，本文采用有限元方法计算电机的电磁场。针对图2所示的一对极点，稳态电磁场的问题可以表示为边界问题如下：

其中AZ是磁势值；J为绕组电流密度；Ω是解决区域；S2是第二个边界，L是电动机中各种介质的边界。

分割单元是高精度的弯曲四边形，其边缘可能不是直线。该单元中任何节点的磁势A可以视为单元中四个节点的函数。所以我们可以得到磁电势的插值函数，通过求解方程（1），可以得到，电机中每个点的磁势，然后可以计算其磁通密度和相绕电位。

电机各节点的磁通密度可以表示为：

电枢线圈边缘的单导体的单位长度平均电位表示为：

其中Sb是槽的面积。 如果分为n个单位（N1匝），线圈边缘的平均电位为：

其中Ief是核心的有效长度，s是单位面积，n，m，j，i是四边形单位的节点数。由于它由线圈的电位组成，每个绕组的电位为：

从等式（5）可以看出，绕组电位与电机的电枢和磁场的长度和转动有关。

采用边界滑移法来处理转子和定子之间的相对运动，并采用叠加法在计算中来考虑倾斜槽的影响。

3.2 电磁结论

使用上述方法的计算结果如下所示。 图3是无负载时的通量曲线分布。 图4是气隙磁通密度。从图3可以看出，尽管轭非常薄，但是气隙磁通线是密集的，转子磁轭磁通曲线并不密集。尽管气隙相当宽，但气隙通量密度超过0.6T。

结束语：

本文以低噪声水泵为例，设计一款新型宽气隙永磁电机，利用有限单元极端电磁场，计算结果与实验结果表明，该电机的特点如下所示：

（1）气隙扩大至6mm，降低转子与定子之间水流的摩擦阻力。引入Halbach阵列以减小转子的厚度并增加气隙磁通密度。

（2）反电动势的波形接近正弦波。电动机电流中的谐波分量及由此引起的损耗很小，尽管电机由逆变器供电。

（3）电机在全功率范围内具有高功率因数。当负载超过50%时，功率因数近似为1。

（4）电机在全功率范围内效率高。电机满载时效率可达93.66%，远高于同功率的普通电机。

本设计在控制成本的基础之上，以目前现有电机技术为基础，设计一种低噪声电机，旨在为我们的生活带来更加便捷的服务。希望本设计能在生产生活中真正发挥作用，并给工程带来方便。

作者简介：邹永顺（1996-），男，贵州贵阳人，现本科在读贵州理工学院。endprint