ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ ШУМ В ЗАКРЫТЫХ ОБДУВАЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ

VENTILATION NOISE IN CLOSED BLOWN ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTORS

Azat Sharafutdinov

student, Ufa State Aviation Technical University - UGATU,

Russia, Ufa

Starkov Igor Andreevich

student, Ufa State Aviation Technical University - UGATU,

Russia, Ufa

АННОТАЦИЯ

Проанализированы причины возникновения вибрации и шума в электродвигателях, приведены примеры расчетов и способы устранения.

ABSTRACT

The causes of vibration and noise in electric motors are analyzed, examples of calculations and methods of elimination are given.

Ключевые слова: шум, вибрация, электродвигатель, четырехполюсный и шестиполюсный электродвигатели.

Keywords: noise, vibration, electric motor, heat exchange, four-pole and six-pole electric motor.

Шум и вибрация в электродвигателях зависят от большого количества причин, взаимосвязанных между собой. В каждом случае следует анализировать каждую составляющую шума с какой из них нужно работать в первую очередь. Принято разделять источники шума и вибрации на три класса:

а) вентиляционные шумы;

б) механические шумы и вибрации;

в) магнитные шумы и вибрации.

Асинхронные электродвигатели обычно охлаждаются радиальными вентиляторами. Анализ двигателей с такими вентиляторами показывает, что при вращении элемента вентилятора образуется шум завихрения. Такой шум больше всего раздражает в месте установки электрической машины, т.к. он передается непосредственно по воздуху, а не через вибрацию частей двигателя. Частоты шума, производимого элементами вентилятора с Z лопастями и вращением п об/мин, определяются соотношением:

                                                                    (1)

К — целое число, указывающее на порядок гармоники.

Кроме этих частот, вентилятор создает вихревой шум с постоянным спектром в полосе больших частот из-за изменения скорости воздуха вдоль лопастей. При обтекании воздухом корпуса и защиты двигателя на поверхности, в местах неровностей и выступов создается большое количество завихрений, которые являются источником шума в широком диапазоне частот.

Особенно неприятный шум (подобно сирене) может появиться у некоторых вентиляторов при столкновении воздуха о препятствия, если расстояние между вентилятором и неподвижной частью слишком мало.

Это расстояние возрастает с увиличением окружной скорости. Такие явления необходимо учитывать при проектировании.

Так, например, для двигателя на 2000 об/мин вместо обычно расстояния, рекомендуется брать примерно 15% от внешнего диаметра, с учетом указанного эффекта, это расстояние необходимо увеличивать до 20-25% или соответственно уменьшать внешний диаметр вентилятора.

Кроме того, значительное влияние на причину образования вентиляционного шума оказывает вихреобразование на входном отверстии кожуха. Правильно подобранный диаметр и конфигурация входного отверстия кожуха - важный фактор уменьшения вентиляционного шума.

При доводке и проектировании электродвигателей для приблизительной оценки уровня шума, создаваемого центробежным вентилятором, разумно использовать найденные из практики различные эмпирические соотношения. Можно считать, что создаваемый центробежным вентилятором шум примерно пропорционален площади лопаток в первой степени и скорости вращения в шестой степени.

Иногда принимают, что при окруженных скоростях до 50 м/сек выходная сила звука пропорциональна числу оборотов в пятой степени [1]. При известном диаметре  и скорости вентилятора двигателя изменение уровня звукового давления, производимого вентилятором другой подобной машины, выражается уравнением:

                                                  (2)

где  диаметр вентилятора, а= 7; β=5 для скоростей до 50 м/сек, β= 6 или 7 при окружных скоростях больше 50 м/сек.

С целью изучения возможности уменьшения вентиляционной составляющей шума за счет изменения конструкции вентиляторов бы- ли проведены эксперименты на двигателях серии АО2.

Исследования составлены таким образом, чтобы требуемый теплосъем был обеспечен при минимальном диаметре вентилятора, а перегрев обмотки статоров двигателей оставался тем же при различных вентиляторах. Разработка конструкции вентилятора опиралась на то, что воздушный поток у многолопастных тарельчатых вентиляторов более упорядочен и аэродинамические потери меньше, чем у вентиляторов З- и 4-лопастных, применяемых в настоящее время, Меньшие аэродинамические потери ведут к уменьшению уровня шума. Вентиляторы для исследований использовались тарельчатого типа (угол наклона 70⁰) с увеличенным числом лопаток.

Исследования проводились на двух и четырехполюсных электродвигателях серии АО2 2, З, 4 габарита.

По материалам испытаний можно сделать следующие выводы:

1. Экспериментальные данные показали, что вентилятор тарельчатого типа обеспечивает снижение вентиляционной составляющей звукового давления на некоторых частотах до 7 Дб на двухполюсных электродвигателях (рис. 1, 2, З).

По уровню звука снижение наблюдается до 2—3 Дб. Недостаточно эффективное уменьшение уровня звука на фоне значительного уменьшения звукового давления на отдельных частотах обуславливается тем, что конструкция щитка и кожуха не изменялась, соответственно, составляющие шума завихрения, вызванные неподвижными выступами подшипникового щитка и формой входного отверстия кожуха, практически не видоизменились.

2. Со стороны тепловых характеристик можно заключить, что тарельчатые вентиляторы с увеличенным числом лопаток создают требуемый теплосъем при улучшенных акустических свойствах.

З. Подобные исследования для четырехполюаных и шестиполюсных электродвигателей дали значительно меньший результат, т.к. по абсолютной величине вентиляционная составляющая шума оказалась примерно такой же, что и магнитная и подшипниковая составляющие. Исходя из этого можно сделать вывод, что для оптимизации и улучшения вибрационно-шумовых характеристик электрических двигателей с малой частотой оборотов необходимо исключать уже все составляющие шума.

Рисунок 1. Спектрограммы воздушного шума электродвигателя АО2-42-2 при U —380 в, с. ф. — У, f=50 гц. 1 — с вентилятором основного исполнения (З лопатки), 2 с вентилятором тарельчатого типа (8, лопаток)

Рисунок 2. Спектрограммы воздушного шума электродвигателя АО2-З2-2 при U=380 в, с. ф. — У, Г —50 гц. 1 — с вентилятором основного исполнения (З лопатки), 2 с вентилятором тарельчатого типа (6 лопаток)

Рисунок З. Спектрограммы воздушного шума электродвигателя АО2-21-2 при U = 380 в, с вентилятором основного исполнения (3 лопатки), 2 с вентилятором тарельчатого типа (8 лопаток)

Рекомендации по снижению вентиляционного шума

На основании экспериментальных данных по электродвигателям ХО2 2 З, 4 габаритов, а также исследований, проведенных при создании малошумных, а также литературных данных, для снижения вентиляционного шума можно рекомендовать следующие действия:

1. При применении центробежных вентиляторов наиболее эффективными являются вентиляторы тарельчатого типа с углом наклона тарелки от 65⁰ до 80⁰. Большинство из указанных значений относится к высоким скоростям вращения. Лопатки вентилятора лучше всего располагать вдоль направления потока.
2. Лопатки, направляющие воздушный поток и такие детали, которые могут создавать резонанс, лучше всего изготавливать из пластмасс, обладающих большим внутренним затуханием, чем алюминий и сталь.
3. Острые углы и ребра, попадающие в воздушный поток, необходимо сглаживать. Гладкая поверхность и скругленные углы эффективно уменьшают шумы завихрения.
4. Для избежания шумов типа сирены необходимо выбирать расстояние от вращающихся краев вентилятора до неподвижных частей равным 15-25% от диаметра вентилятора. При этом большее расстояние соответствует большей скорости вращения вентилятора.
5. Вентиляционные отверстия целесообразно ограждать проволочной сеткой, а не штампованной металлической решеткой.
6. Во всех случаях необходимо стремиться в целях уменьшения количества охлаждающего воздуха обеспечить минимальные перепады температуры от обмотки к поверхностям охлаждения.

Список литературы:

1. Проблема шумов в электрических машинах. «Elektro Revue», 2017 май/июнь, стр. 9—10.
2. Труды ВНИИЭМ. том 20, «Энергия», 2018.
3. Фолькман Х. Конструктивные и технологические предпосылки для производства малошумных трехфазных асинхронных электродвигателей с малой вибрацией в диапазоне мощностей до 10 квт. «Elektrie», 11, 2019.