С акустической точки зрения электрический двигатель может быть определен как комплекс твердых (жестких) деталей из различных материалов и различной формы и частиц жидкостей, которые трутся, ударяются и вибрируют. В основе акустических явлений находятся вызванные этими движениями, трением, ударами и вибрациями силы различной природы: электрической, механической или аэродинамической. Акустическое излучение производится также многими различными способами, зависящими от вида воздействия всех твердых частей или объемов, составляющих машину, и их связи с излучающими силами или соседними элементами, способствующей или ограничивающей звуковое излучение. Следовательно, излучение шума электрической машиной определяется ее электрическими и конструктивными данными. Допуски производства, как и степень нагрузки машины, также могут влиять на создаваемый шум. Неправильный монтаж или неблагоприятная установка машины вызывает в некоторой области пространства усиление шума за счет излучающих поверхностей, резонансных колебаний или резонирующих помещений. Поэтому сильный шум электрической машины указывает на дефектный монтаж, установку или нерациональность конструкции, являясь иногда единственным указателем динамического поведения машины.
Шум, создаваемый вращающейся электрической машиной, является суммой многих шумов различной природы.
Принудительная циркуляция потока охлаждения машины является самым значительным источником аэродинамического шума.
Пульсирующие магнитные силы в зазоре воздействуют на статор и ротор, которые, являясь упругими элементами, имеют механические колебания. Излучение этих вынужденных колебаний, а также магнитострикционных колебаний магнитных сердечников создают так называемый магнитный шум.
Ротор и подшипники не могут быть изготовлены и смонтированы с такой точностью, чтобы во время работы в подшипниках не возникали изменяемые во времени усилия, которые являются причиной шума подшипников.
У коллекторных машин и машин с кольцами в зависимости от качества щеток и поверхности трения, состояния притирки щеток, качества направляющих щеток и щеткодержателей, давления щеток на контактную поверхность и явления коммутации возникает более или менее сильный щеточный шум.
Вначале дадим некоторые замечания относительно передачи этих составляющих шума. Вентиляционный (аэродинамический) шум передается через воздух и в общем не производит раздражающих эффектов вдали от места установки машины.
Совсем иначе обстоит дело с магнитным, подшипниковым и щеточным шумами. Источниками их являются механические вибрации деталей машин, они могут передаваться через опоры, фундаменты, стены и другие элементы установки (трубы и т. д.) другим частям здания. Поэтому эти шумы объединяются под названием структурный шум. При выборе методов уменьшения шума машин необходимо учитывать то обстоятельство, что произвольный выбор амортизаторов может вызвать в некоторых случаях нежелательное усиление шумов.
Следует помнить, что шум электрической машины не может быть исключен полностью, он имеет нижний природный и технический предел. Этот неизбежный шум, названный идеальным шумом машины, является предметом многих теоретических и экспериментальных исследований с целью нахождения формул для его определения.
Первые исследования с целью вывода расчетной формулы шума начались с акустических измерений серии машин, имеющих одинаковую конструктивную форму и различающихся только мощностью Р и частотой вращения п. Акустическое давление растет с ростом частоты вращения и номинальной мощности машины по экспоненциальному закону. По своей сущности это соотношение представляет собой зависимость от п и Р, полученную на основе многочисленных экспериментов. При этом изменяются раз от раза значения параметров kn, kP, k.
Несмотря на это, такие представления составляют еще и в наше время этап для предопределения шума электрических машин. Но в большинстве случаев такая формула оказывается недостаточной для выражения связи между шумом, конструктивными решениями и технологическими процессами, принятыми в производстве.
В 1950 г. Жордан предложил теоретический расчет составляющей магнитного шума с учетом конструктивных и электрических особенностей машины Так как отдельные предпосылки этой теории не совсем строги, то теория может быть развита только после серии экспериментов. Такая комплексная теоретическая и экспериментальная методология в настоящее время характерна для исследования шума.
Аэродинамический шум
С ростом коэффициента использования активных материалов электрической машины растет количество охлаждающего агента, обтекающего единицу поверхности секции машины. Вследствие увеличения расхода охлаждающего воздуха растет скорость воздуха, что приводит к увеличению доли, которую вносит аэродинамический шум в суммарный шум машины. У машин с большой частотой вращения (3 000 об/мин и более) шум, произведенный трением ротора о воздух, принимает повышенные значения, независимо от интенсивности вентиляции.
Трудности, вытекающие из противоречивых требований совершенствования электрических машин в части использования материалов и уменьшения шума машины, привели к всесторонним исследованиям каждого источника шума и публикации значительного количества работ.
Аэродинамические шумы машины являются прямым или косвенным следствием движения ротора.
В сущности спектр шумов, вызванных циркуляцией воздуха, непрерывный вследствие случайных распределений — в статистическом смысле — многих завихрений следующих по поверхностям вращения. На этот шум с физиологическим эффектом для уха в виде визга наложены высокие тона, частота которых определяется геометрией путей циркуляции охлаждающего воздуха.
Благодаря своему особому строению трехфазные асинхронные машины не только особо опасны с точки зрения магнитного шума, но и доставляют конструкторам наибольшие трудности в отношении аэродинамического шума. Поэтому исследования относительно произведенного аэродинамического шума относятся в первую очередь к этому типу машин, которые используются чаще всего. Однако полученные результаты могут быть применены во многих случаях и к другим типам электрических машин.
Шум вентилятора открытых машин составляет основную долю аэродинамического шума этих машин. По условиям серийного производства и общего характера использования большинство находящихся в эксплуатации машин являются реверсивными. Поэтому в отличие от промышленного вентилятора, сконструированного для оптимальных условий эксплуатации и снабженного чаще всего диффузором для постоянного направления вращения, центробежные вентиляторы, встраиваемые в электрические машины, имеют прямые радиальные лопатки самого простого исполнения, а именно сварные или клепанные из стального листа, литые из легкого сплава или прессованные из синтетических материалов.
Конструкторами машин для выбора и оценки вентиляторов введена характеристическая величина, названная специфической частотой вращения или быстротой и обозначенная nsp. Она отражает геометрическую форму вентилятора и определяется формулой
где Q — расход вентилятора, м3/с; Ар — давление, метры газового столба; п — частота вращения в данном режиме, об/мин
Специфическая частота вращения численно равна частоте вращения вентилятора, идентичного с данным, у которого при максимальном к. п. д. производительность равна 1 м3/с газа при определенном давлении.
Специфическая частота вращения может быть принята в качестве критерия подобия вентиляторов. Для обеспечения подобия процессов в вентиляторах, кроме равенства специфических частот вращения, необходимо обеспечить геометрическое подобие и равенство числа Рейнольдса.
В случае радиальных вентиляторов с простым всасыванием область оптимальных скоростей вращения для получения максимального к. п. д. должна находиться между 150 и 1 000 об/мин и достаточно хорошо совпадать с областью минимальных шумов.
Проверка большого числа машин показала, что в большинстве случаев встроенные вентиляторы не соответствуют оптимальной специфической частоте вращения, так как имеют слишком малую ширину при слишком большом диаметре, вызывая тем самым повышенную интенсивность звука. Причина этого состоит в том, что для машин, вентилируемых путем циркуляции в открытой цепи, конструктор не свободен в выборе диаметра для входа воздуха, так как он должен учитывать размеры подшипников и диаметр лобовых частей роторной обмотки.
Производимый радиальными вентиляторами с прямыми лопатками шум был изучен в зависимости от мощности вентилятора, периферийной скорости, числа лопаток и других параметров. Хюбнер и Грюневальд показали, что если пренебречь влиянием помещения, то интенсивность звука от невстроенного свободно направляющего наружу струю вентилятора в определенной точке измерения является функцией его механических размеров, т. е. его геометрии G, периферийной скорости п и дросселирования £ воздушного потока. Необходимо еще изучить свойства охлаждающей среды, характеризуемой параметром 0, который зависит от плотности р, вязкости v и скорости звука с в среде. Излучающие свойства вентилятора учитываются при помощи коэффициента направленности q.
Вместо скорости воздуха и на периферии вентилятора используется число Маха.
Составляющая вращения L4 возрастает по экспоненциальному закону с ростом периферийной скорости. Показатель степени не является постоянным, а зависит от диапазона режимов вращения вентилятора. Он может быть относительно легко определен, так как не зависит от степени дросселирования и отношения 6/2 вентилятора (b — ширина лопатки, d — наружный диаметр вентилятора). Указать числовое значение, действительное во всех случаях для величины /(G), невозможно, так как в нее входят и акустические особенности помещения, в котором производятся измерения, и условия монтажа.
Эти тоны могут быть уменьшены, особенно при выборе значительного расстояния между лопатками вентилятора и неподвижными препятствиями.
У больших асинхронных машин пакеты ротора и статора часто снабжены радиальными вентиляционными каналами между распорными кольцами и проводниками обмоток сердечников. Радиальные каналы ротора работают как радиальные вентиляторы и вталкивают поток воздуха в каналы статора, после чего он обтекает ярмо статора. Этот воздушный поток подвергается периодическим колебаниям давления с основной частотой, определяемой частотой вращения и числом пазов ротора, так как колебания сопротивления протеканию воздушного потока в зазоре при его прохождении из ротора в статор соответствуют взаимному расположению пазов и распорных колец.
Каждый радиальный канал статора (представляет собой звукопровод, поперечное сечение которого прерывисто изменяется по всей длине канала.
Возникающий шум может быть очень неприятным, похожим на свист. Возникновение этого шума можно предупредить при помощи конструктивных мер, а в случае его появления его можно относительно легко глушить.
Один из путей предопределений акустического уровня расчетным методом показал Телаат, используя методы моделирования. По Телаату интенсивность звука зависит от числа вентиляционных каналов числа пазов ротора Z2, скорости воздушного потока Ui на входе канала и акустического волнового сопротивления канала Ro, т. е.
Оценка влияния указанных параметров проводилась, по не всех вместе, а поочередно. Опыты просты по исполнению, что является их бесспорным преимуществом. Недостаток состоит в том, что их нелегко скомбинировать для получения общего результата.
Аэродинамический шум микромашин, так же как и очень больших машин типа турбо- или гидрогенераторов, специально не исследовался, так как эта составляющая обычно не является преобладающей.
Микромашины в большинстве случаев выполняются встроенного типа, т. е. закрытыми в агрегатах, а аэродинамический шум встроенных машин сильно заглушается агрегатом, внутри которого закрыта машина. Одновременно можно отметить, что большинство микромашин не имеет вентилятора, так как движение ротора оказывается достаточным для приведения в движение охлаждающего воздуха (у микродвигателей площадь поверхности, отнесенная к объему, намного больше, чем у больших машин).
Большие машины не самовентилируются. В них предусмотрены замкнутые контуры принудительного охлаждения, где в качестве хладоагента используются вода, водород и т. п. В этом случае аэродинамический шум также не является преобладающим, так как он заглушается стенками газо- или водопроводов, по которым циркулирует хладоагент.
