变频电机电磁噪声分析及改进李广（中国北车集团永济电机厂技术中心 山西 永济 044502）摘 要 : 针对变频电机出现高频电磁噪声的案例，采用分析电磁噪声的频谱特性和有限 元法分析定子铁心固有振动频率相结合的方法，对变频电机产生高频电磁噪声的原因进行分 析，并提出一系列的改进措施，经过样机试制、振动及噪声试验，证明改进措施达到了改善 电磁噪声的预期目标关键词 ：变频电机；频谱特性；固有振动频率；径向力波；谐波磁密引言：噪声是若干不同频率和声强的纯音杂乱而而无一定规则的组合它影响人们的正常工作 和休息，长期工作在噪声大的环境中，将损害人们的健康，导致耳痛、耳聋或引起各种疾病 随着工业的发展，工业噪声已成为当今社会污染环境的三大公害之一为此，世界各国都制 订了法规以限制噪声的污染；我国工业企业噪声卫生标准规定：表1为工人在每个工作日在各 种噪声级的环境中允许暴露的时间表1每个工作日噪声暴露时间（小时）8421121418116新建企业允许噪声级（分贝）8588919497100103106现有企业允许噪声级（分贝）90939699102105108111最高允许噪声级（分贝）不得超过115在工业生产和部分家用电器中，变频电机被广泛地用作驱动元件，变频电机的振动和噪 声直接影响设备的质量和寿命。
而变频电机发展的趋势是单位功率的重量越来越小，这就要 提高变频电机的电磁负荷，但伴随而来的电磁振动和噪声也相应增加目前世界上许多国家 已将噪声列为变频电机的技术性能指标之一变频电机的噪声来源于有关的振动，分为三大 类：电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声，其中电磁振动和噪声占很大比例1.问题提出我公司2006年曾研制过一台6极变频电机，主要参数如下:额定功率170kW,额定电压300V, 恒功频率范围41〜101.7HZ在样机进行噪声试验时，当电机空载运行在高频点101.7Hz时， 出现高频噪声，断电后高频噪声消失，根据经验初步判断为电磁噪音采用频谱仪对41Hz、80Hz和101.7Hz三个频率点的噪声频谱特性进行检测，结果见表2表22.分彳噪声频率Hz对应电源41Hz東频率下运行时噪声最80Hz匕大值dB101.7Hz630125075.890.81600102.9析问题针对上述变频电机的高频电磁噪声问题，采用普通异步电机电磁噪声的分析方法进行分 析对于异步电机电磁噪声的形成原因可以归为：气隙空间的磁场是一个旋转波，定转子磁场相互作用产生的径向力波使定子和转子发生 径向变形和周期性振动，产生了电磁噪声。
气隙磁场中除了基波分量外，还有高次谐波分量，高次谐波的径向力波也都分别作用于 定转子铁心上，使它们产生径向变形和周期振动，在一般情况下，对高次谐波来说，电动机 转子刚度相对较强，而定子铁心呈薄壁圆环形，刚性较差，因此定子铁心的径向变形振动是 引起电磁噪声的主要原因定子铁心不同阶次的变形，有不同的固有频率，当径向力波的频率与铁心的某个固有频 率接近或相等时，就会引起“共振”在这种情况下，即使径向力的波幅不大，也会导致定 子铁心变形、周期性振动，产生较大电磁噪声针对上述的原因，进行了一系列分析和计算： 2.1.根据电机定、转子的槽配合54/44，对电机的各次齿谐波产生的径向力波频率进行计算， 具体径向力波计算结果见表3表3定子谐波次数转子谐波次数力波次数力波频率Hz39-41-21275-5147-41678注：电源频率101.7Hz,转差率1%2.2.利用ANSYS有限元分析软件对定子铁心的振动模态进行分析，主要对振动阶数n等于2、3、4、5阶的振动固有频率进行计算，具体的各阶模态如图1〜图4所示，频率计算结果见表4图 1 n = 2图2 n = 3NODAL SOLUTIONModel 53d6720020STEP-1SUB =8 FREQ=1541US UM (AVG)RSYS=0DHX -55.289SMN =.532107SMX -55.289NODAL SOLUTIONModel 53d67200205TEP-1 SUE =10 FREQ=2350USUM (AVG) RSYS=0DHX -70.303 SMN =1.043 SMX ・70・303图3 n = 4 图4 n = 5表4振动阶数n定子铁心固有频率（Hz）2309.23841.94154152350综合上面的分析计算结果，由于电机槽配合54/44而产生了相应的2次和4次径向力波；当 电机运行在电源频率101.7Hz时，4次径向力波对应的频率范围1678Hz；由于定子铁心的4阶固 有振动频率1541Hz与力波频率接近，因此4次径向力波引发定子铁心的共振，进而产生了高频 电磁噪声。
噪声频谱分析得出最大噪声对应频率为1600Hz，恰位于固有频率1541Hz与力波频 率1678Hz之间，也证明了上述分析的正确性3. 解决措施针对上述的原因分析，采取了一系列降低电磁噪声的措施（1） 选择适当的槽配合：根据上面的原因分析，对定转子的多种槽配合54/40、54/64和54/66进行了径向力 波分析计算，经过比较，当槽配合为54/66时，只产生6次径向力波，消除了1、2、3、 4、5次径向力波，避免了定子铁心发生共振，从而可以大幅度降低电磁噪声；虽然存 在6次径向力波，但对于中小型电机来说，振动幅值近似与阶数的4次方成反比，故5 次和更高次数力波的振幅值是很小的当我们不计声辐射效率的降低，按声功率正比 于振幅的平方估算， 6次力波振动所产生的噪声将微乎其微因此得出结论：定转子 槽配合采用54/66在降低电磁噪声方面明显优于定转子槽配合54/442） 选择合理的气隙磁密：由于径向力与气隙磁密的平方成正比，振动的幅值与径向力成正比，声功率近似 与振动幅值的平方成正比，所以降低气隙磁通密度，可以有效降低径向力幅值及噪声 采用变频电机电磁计算程序对电机的气隙磁密进行计算，额定频率41Hz时，电机的气 隙磁密达到0.897T，高于文献［3］的推荐值0.73〜0.86T,因此采取增加绕组匝数的方 法使气隙磁密降低到0.825T。
3） 选择合适的绕组节距：选择合适的绕组节距，主要目的是设法减少磁动势波形中的谐波含量查阅参考文献［1］,对于6极54槽电机，短距比0采用7/9比8/9更合理，可以有效降低表2中39次和51次定子齿谐波的磁密幅值系数，故从降低电磁噪声角度考虑，新电机选用短距 比 0 =7/94. 效果评价 经过上述的改进后，对改进后的电机重新进行了样机试制和型式试验在型式试验中， 采用声强测量系统对电机负载运行情况下的噪声频谱进行检测，频率范围从20〜6300Hz，最 大噪声值及相应频率见表5从表5可以看出：最大噪声对应的频率点均在6300Hz，已经超出人耳感到不舒服的噪声 频率范围400〜5000Hz，原有的高频电磁噪声彻底消除另外，对IEC标准要求考核的额定 频率41Hz空载运行噪声值进行了检测，由原电机的96.19dB降低至66dB，降幅达到31.4%表5噪声频率对应电源频率下的噪声最大值dB41Hz负载80Hz负载101.7Hz 负载630080.976300630074.9979.59上述噪声试验结果充分证明：采用普通异步电机的电磁噪声分析方法对变频电机电磁噪 声问题进行分析是可行的，改进的效果是显著的，改进后的电机噪声完全符合我国新建工业 企业的噪声卫生标准规定。
5. 结束语通过上述变频电机电磁噪声故障案例的分析和改进，可以得出如下结论：变频电机定转 子槽配合的合理选择对降低电磁噪声具有决定性的意义；当然为了限制电磁噪声，不存在既 适用于小容量电机，又适用于大容量电机的选择槽配合万能规则，这是由于小容量电机和大 容量电机定子铁心的共振特性是不同的所以，为了设计出低噪声的变频电机，必须对槽配 合和定子铁心的共振特性进行综合分析，择优选用参考文献：1 [ 苏 ] 舒波夫 著 . 沈官秋 主译 电机的噪声和振动 北京 机械工业出版社 1980.102 陈永校 诸自强 应善成 编著 电机噪声的分析和控制 杭州 浙江大学出版社 1987.63 杨万青 刘建忠 等编著 实用异步电动机设计、安装与维修 北京 机械工业出版社 1996.6。