永磁电机噪音基础

关于永磁电机噪音基础第一页，共五十四页，编辑于2023年，星期二噪声是一种不同频率和不同强度无规律地组合在一起的声音。噪声具有声音的一切特征，产生声音的根源是物体（包括固体、液体、气体）的振动。电机是一种噪声源。研究电机所产生的噪音，必须研究与噪声有关的振动。

第二页，共五十四页，编辑于2023年，星期二内容一噪声的一般概念二永磁电机的振动和噪声第三页，共五十四页，编辑于2023年，星期二一、噪声的一般概念（一）物理量（二）噪声的测量（三）噪声和振动的标准

第四页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（一）物理量1、声压级声压：由于声波的存在使空气压力产生迅速的起伏，气压的起伏部分称为声压，单位为Pa。声压的瞬时值记为p(t)。

声压p(t)定义：p(t)=P(t)-P0声压有效值：对于纯音：（一）物理量1、声压级声压：由于声波的存在使空气压力产生迅速的起伏，气压的起伏部分称为声压，单位为Pa。声压的瞬时值记为p(t)。

（一）物理量第五页，共五十四页，编辑于2023年，星期二一般声学仪器测量出的声压都为有效值prms，而不是瞬时值p，也不是幅值pmax。声压越大，声音越强；声压越小，声音越弱。因此用声压（prms）来衡量声音的强弱。正常人耳能听到的声音的声压（称闻阀声压）为2e-5Pa；能使人耳产生疼痛感觉的声压（称痛阀声压）为20Pa，两者绝对值相差百万倍，因此用声压的绝对值表示声压很不方便。为此，引用声压级Lp来表示声音的强弱。第六页，共五十四页，编辑于2023年，星期二声压级

声压级Lp是一个无量纲的量，单位为dB（分贝），其定义为：

式中p0—基准声压；取等于1000Hz时的闻阀声压，即2e-5Pa。由上式式可见，声压级变化120dB，相当于声压变化1e+6倍。第七页，共五十四页，编辑于2023年，星期二2、声强级和声功率级声功率：声源在单位时间内发射的总能量称为声功率，记为W，单位为瓦（W）。声强：在垂直于声波传播方向、单位时间内通过单位面积的声能（声波平均能流密度的大小）称为声强，以I表示，单位W/m^2。

声功率级是一个定值，它不随距离而变化；而不同位置的测点上的声压级值是不同的。第八页，共五十四页，编辑于2023年，星期二

由于声强I从闻阀限到痛阀限相差10^12倍，所以与声压一样，声强和声功率也用声强级和声功率级来表示。它们的单位都为dB（分贝）。取贝尔作为单位，取贝尔的十分之一作为响度的常用单位，称为分贝尔（decibel），简称分贝（dB）。声强级：在某一指定方向上的给定声强与参考声强之比的以10为底的对数乘以10。声功率级：声功率与基准声功率之比的以10为底的对数乘以10。第九页，共五十四页，编辑于2023年，星期二3、噪声的频谱

正常人能听觉到的声音的频率范围一般为20~20000Hz，这一宽广的声频范围可划分为若干个频段，即通常所说的频程或频带。在噪声测量中最常用的是倍频程和1/3倍频程。倍频程：指上、下两个频率值之比为2:1，即f上/f下=2的频带。1/3倍频程：指把一个倍频程按关系再分为三段频带，即中心频率：指某一频程的中心频率，该值为：第十页，共五十四页，编辑于2023年，星期二目前通用的十个倍频程的中心频率为31.5、63、125、250、500、1000、2000、4000、8000、16000Hz。

倍频程频率范围倍频程中心频率1/3倍频程中心频率45~906350（45~56）63（56~71）80（71~90）90~180125100（90~110）125（110~140）160（140~180）180~355250200（180~225）250（225~280）310（280~355）355~710500400（355~450）500（450~560）630（560~710）710710~900）1000（900~1100）1250（1100~1400）1400~280020001600（1600~1800）2000（1800~2200）2500（2200~2800）2800~560040003150（2800~3550）4000（3550~4500）5000（4500~5600）5600~1120080006300（5600~7100）8000（7100~8900）10000（8900~11200）以频率为横坐标，以声压级、声强级、声功率级为纵坐标来绘制噪声测量结果，所得图形可清楚反映出噪声的成分和性质，这就是频谱分析。第十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期二4、响度级

用响度级把声压和频率统一起来表示声音响度的高低，其单位为phon（方）。响度级：根据听力正常的听音判断为等响的1000Hz纯音(来自正前方的平面行波)的声压级。

响度级是这样确定的：取1000Hz的纯音作为基准声音，若出现某一声音听起来与基准纯音一样响时，该声音的响度级（phon）就等于基准纯音的声压级（dB）。声音的响度级由其声压和频率决定，反映它们关系的图线叫等响线。等响线相当于频率和声压级不同、但响度级相同的声音。

第十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期二最下面是闻阀限等响线；最上面是痛阀限等响线。第十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期二响度级LN是一个相对量，响度N（单位为sone（宋））是绝对值。

上式表示响度级每增加10phon，则响度增加一倍。

这个主观量与客观里量之间的幂函数关系，在人与外界刺激的知觉反映中是普遍存在的。第十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（二）噪声的测量常用的噪声测量仪器有声级计、频谱分析仪和自动记录仪等。声级计是噪声测量中最常用和最简便的测试仪器。声级计中常用的频率计权网络有A、B、C三种。测量电机噪声时，一般都采用A计权网络，所测得的值称为A声级，记作dB(A)。电机噪声的测定方法：GB/T10069.1《旋转电机噪音测定方法及限值第1部分：旋转电机噪声测定方法》半自由场或半混响场中测定声级：

GB/T3767或GB/T3768（二）噪声的测量第十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期二对于中小电机（中心高225mm及以下且长度不超过1m），将其视为点声源，采用半球法配置，一般在1m范围内配置半球面。然后用声压级计测出各点的A计权声压级，再按下式求出电机噪声的A计声功率级：对于自由场（球形），r为测量点组成的球的半径对于半自由场（半球形，中小电机噪声测量中常取该值）LW

—A计权声功率级dB(A)；Lpav—A计权平均声压级dB(A)；A0—基准面积，A0=1m^2；A—采用半球面法、半椭球面法或等效包络面法之一测得的面积。第十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期二为什么要采用声功率级而不采用声压级记录电机噪声呢？

（1）声功率级对测试面的位置、测试条件和测试环境要求不高。（2）声功率是不能直接测量的，但其值不随距离而变化，声压级的值与测量位置有关，所以用声功率级计量噪声值更方便。第十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（三）噪声和振动的标准1、噪声

电机的噪声限值分为N级（普通级）、R级（一级）、S级（优等级）和E级（低噪音级）等四个等级。每个等级之间的关系为：

如无其它规定，在空载时噪声限值应符合N级的要求。第十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期二类别转速声功率级电机功率ⅠⅡⅠⅡⅠⅡⅠⅡⅠⅡⅠⅡn＜960rpm960≤n＜1320rpm1320≤n＜1900rpm1900≤n＜2360rpm2360≤n＜3150rpm3150≤n＜3750rpmP≤1.1kW7176757878808082828485881.1kW＜P≤2.2kW7479788081838386858889912.2kW＜P≤5.5kW7782818485878690899293955.5kW＜P≤11kW81858588889190949396979911kW＜P≤22kW8488889191959398961009910222kW＜P≤37kW879191949497961009910310110437kW＜P≤55kW9093949797999810210110510310655kW＜P≤110kW949697100100103101105103107104108110kW＜P≤220kW9799100103103106103108105109106110220kW＜P≤630kW99101102105106108106110107111107112630kW＜P≤1100kW101103105108108111108112109112109114注：Ⅰ类：无冷却风扇的开启式电机（IP22、IC00）或无外风扇的封闭式电机（IP44、IC0041）。Ⅱ类：有冷却风扇的开启式电机（IP22、IC01）或有外风扇的封闭式电机（IP44、IC0141）。第十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期二2、振动

电机的振动限值分为N级（普通级）、R级（一级）和S级（优等级）等三个等级。如下表所示。如无其它规定，在空载时的振动限值应符合N级的要求。安装方式弹性刚性轴中心线高/mm45~132133~225226~400401~630转速/rpm600~18001801~3600600~18001801~3600600~18001801~3600600~18001801~3600振动等级振动速度有效值/(mm·s-1)N1.82.84.52．8R0.711.121.121.81.82.81.121.8S0.450.710.711.121.121.80.711.12第二十页，共五十四页，编辑于2023年，星期二伺服电机振动等级（振动速度）第二十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期二二、永磁电机的振动和噪声（一）电磁振动和噪声（二）电机定子和转子的固有振动特性（三）机械振动和噪声第二十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期二与其它类型电机振动一样，永磁电机噪声有三类：电磁振动噪声、机械振动噪声和空气动力噪声。第二十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（一）电磁振动和噪声电磁噪声来源于电磁振动，电磁振动则由电机气隙磁场作用于电机铁心产生的电磁力（称激振力）所激发，对永磁电机而言，电机气隙磁场又决定于绕组磁势、永磁体磁势和气隙磁导。由永磁电机气隙磁密波的作用，在铁心齿上产生的磁力有径向和切向两个分量。径向分量使铁心产生的振动变形是电磁噪音的主要来源；切向分量是与电磁转矩相对应的作用力矩，它使铁心齿根部弯曲而产生局部振动变形，这是电磁噪音的一个次要来源。因此分析永磁电机的电磁振动和噪声，主要是分析气隙的径向电磁力波和定子的径向固有振动特性。第二十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期二1、定子绕组和转子的磁势

这里把波长等于电枢周长2pτ的2极波作为基准波。对于2极基准波而言，我们通常说的基波（它有p对极，即电机极对数）相当于这里的2pτ/2τ=p次谐波，现称为主波。其它各次谐波的次数也均相应的增加p倍，故谐波次数等于其极对数。于是，气隙合成磁势可表示如下：第二十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（1）当三相定子绕组每极每相槽数q=整数时，定子绕组磁势的谐波次数ν值，即谐波极对数等于：

k1=±1，±2，±3，…其中“+”表示旋转方向和主波相同，“-”表示旋转方向和主波相反。（2）由于绕组磁势中的齿谐波不会因采用短距或分布绕组而削弱，

它是引起电磁噪声的主要根源。永磁电机定子齿谐波磁势的次数为：k1=±1，±2，±3，…ν次谐波相对于定子铁心的角频率为：

永磁转子为恒磁势源，且磁钢表面不开槽，所以无转子齿谐波和相带谐波。第二十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期二2、气隙磁导

对于永磁电机而言，仅定子有齿槽，转子表面光滑，气隙磁导主要成分为：—气隙磁导的不变部分；

—定子一阶齿谐波磁导的幅值。

第二十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期二3、气隙磁场

忽略铁心磁阻，气隙磁密的瞬时值可表示如下（1）主波磁场（2）定子绕组谐波磁场（3）气隙磁导一阶齿谐波磁场

式中当然最应注意的是具有定子齿谐波次数的磁场Bνt

第二十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期二4、气隙磁场的径向力

在电机气隙中单位面积径向电磁力的瞬时值可表示为：式中

—气隙磁密

气隙中存在一系列定、转子磁场之间的相互作用，可产生数量很多的电磁力波。从噪声和振动的观点来看，主要有以下的力波：（1）主波磁场产生的力波第二十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期二①p0是径向力的不变部分，它是在定子圆周上均匀分布的力系，使定子铁心受到压缩应力。②p1是径向力的交变部分。其幅值等于p0，从表达式可知是行波，这个力波在空间沿定子铁心圆周以2倍电机极对数均匀分布，在时间上又以同步角速度沿气隙旋转。在极数为2p=2的大型电机中，这个激振力波表现的较为明显；在级数较少的永磁电机中，这个激振力也应注意，例如6极永磁电机r=2p=6，该6次谐波电磁力可能引起电磁振动。第三十页，共五十四页，编辑于2023年，星期二第三十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（2）对于永磁电机来说，转子磁势由永磁体提供，其谐波磁势需对永磁体提供的磁势进行傅里叶分解得到（转子形式、磁钢形状和极弧系数不同，得出的谐波磁势也不同）。由定子绕组谐波磁场和转子谐波磁场所产生的径向力为：对于产生电磁噪声来说，上式中项较为重要，可得

为此力波的次数。

电磁力波引起的振动和噪声一方面与力波的幅值大小有关，另一方面还与力波的次数有关，次数越低（即r越小）振动和噪声也越大。可见力波次数为的那一项较为重要。第三十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期二5、定子磁场与转子磁场相互作用产生的电磁振动

（1）定子和转子谐波磁场相互作用产生的电磁振动力波次数为：由此可见，力波次数r可能等于零或等于电机极数的整数倍。（2）定子次谐波磁场与转子主波磁场相互作用产生的电磁振动对于分数槽绕组，在d个极下才能包含bd+c个整数槽，则定子绕组磁势的谐波次数ν值，即谐波极对数为：三相双层分数槽绕组：k=±1，±2，±3，…三相单层分数槽绕组：k=±1，±2，±3，…第三十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期二6、斜槽对电磁振动的影响对于定子绕组，采用短距和分布绕组都不能对齿谐波进行削弱（因齿谐波绕组因数等于基波绕组因数），因此通常采用斜槽（一般斜一个定子齿距）对齿谐波进行削弱或消除。斜槽时，径向力为：为ν次谐波的斜槽因数要消除ν齿谐波，只要使该次谐波的斜槽因数。第三十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期二7、分数槽绕组对电磁振动的影响采用分数槽绕组时，对齿谐波有明显的削弱作用。因采用分数槽绕组后，由于q=分数，齿谐波次数一般都是分数或偶数，而主极磁场中仅含有奇次谐波（即不存在齿谐波磁场，或者说不存在分数或偶数次谐波），从而避免了电动势波形中出现齿谐波电动势。第三十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期二8、气隙偏心对电磁振动的影响由于制造公差和运行磨损，转子外圆和定子内圆之间会产生偏心。偏心有两种情况：（1）静偏心：（2）动偏心由于偏心，气隙不均匀，气隙中存在如下极对数的附加磁场：两者的角频率为，为转子旋转时偏心气隙的旋转角速度。转子静偏心时转子动偏心时第三十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期二

当其中极对数为的附加磁场和主波磁场相互作用时，所产生的力波次数和频率分别为：此次数甚低的力波可能导致电磁振动。第三十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期二9、磁路饱和对电磁振动的影响磁路饱和会使永磁电机中的主磁场空间分布波形出现“平顶”形状，其中包含着较显著的3次谐波磁场分量。因磁路饱和而产生的附加磁场中主要项的极对数为：两者的角频率为

该极对数为p的附加磁场其相位与主波磁场相反，将使电机磁化电流增大；因磁路饱和所产生的附加磁场与定子谐波磁场ν相互作用，会产生如下次数的力波：该低次力波可能导致较显著的电磁振动。第三十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期二

为了降低电机的振动和噪声，除减小电磁激振力的幅值外，还要不使定子和转子的固有振动频率和电磁激振力的频率相等或相近，否则很小的电磁激振力也会因共振而产生较大的振动和噪声。（二）电机定子和转子的固有振动特性1、电机定子的固有振动特性（1）最简单的机械振动特性无阻尼机械振动表达式（位移表达式）为该弹性系统的固有振动角频率，它只和系统本身的质量、材料性质、尺寸等有关，而和加在物体上的外力大小无关；K—弹簧的刚度，即压缩（或拉伸）弹簧单位距离所需的力。

为了降低电机的振动和噪声，除减小电磁激振力的幅值外，还要不使定子和转子的固有振动频率和电磁激振力的频率相等或相近，否则很小的电磁激振力也会因共振而产生较大的振动和噪声。（二）电机定子和转子的固有振动特性第三十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期二相应的

称为弹性系统的柔度，即单位压力（或拉力）所产生的压缩变形量（或拉伸变形量）。称为该弹性系统的固有振动频率。第四十页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（2）电机定子的固有振动频率计算在计算前，假设：①定子轭是一个圆环形的刚体；②定子齿部和线圈的刚度为零，它们对定子轭的影响用一附加质量来考虑；③定子轭的轴向通风孔或其它缺口只考虑为单纯的质量减小；④具有次数为r的电磁力波作用在定子轭圆环上，力波在时间上呈周期变化；⑤忽略阻尼作用。对于定子来说，主要是分析计算定子轭的固有振动频率。第四十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期二①力波次数r=0

此时定子轭圆环的振动形式为一伸一缩的脉动，则位移表达式为（—径向交变力的幅值；—定子铁轭的柔度）共振角频率和共振频率分别为：当激振力波的频率和定子轭的固有振动频率相等时，将发生共振现象。Rj1—定子轭的平均半径；hj—轭的径向高度Lj—轭的轴向长度；E—定子轭材料的弹性模量对于叠片轭E=1.777e+11Pa；对于整块轭E=2.06e+11Pa。第四十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期二②力波次数r=1

这种振动型式如同一个旋转的合力作用于电机重心上，且类似于转子重量不平衡条件下的旋转振动。如电机下面装有减震器，定子轭的固有振动频率为：如电机底脚固定在基础上，其固有振动频率为：第四十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期二③力波次数r≥2

电机定子轭的振动多数属于这些型式，其固有振动频率按下式计算：

可见，在其它参数不变的条件下，定子轭的平均半径越大，其固有振动频率越低。第四十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（3）定子轭振动特性的计算定子轭的振动速度有效值为机械系统的复阻抗为作用在定子轭平均半径圆柱表面上单位径向力的幅值：其中，R1为定子内圆半径；

prm为气隙中单位面积上的径向力幅值，由下式求取：（为气隙磁密的波动率，为波动量峰值，为气隙磁密；为极弧范围内的槽数，为极弧长度，为齿距。）第四十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（4）电机噪声的强度计算既然声音来源与振动，所以物体的振动特性和声响特性之间必然存在着内在联系。①在平面声场中单位体积空气振动动能的最大值为

声强为在垂直于声波传播方向单位时间内通过单位面积的声能，它等于上述单位体积振动能和声波在空气中传播速度的乘积。即

上述计算只是用与平面场，即只有在电机机壳尺寸大大超过声波波长时计算才是正确的。第四十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期二②非平面场中当电机机壳尺寸和声波波长可以比拟或较小时，通常把电机机壳看做为声波的圆柱形辐射器或球形辐射器。这时机壳的声响性质与振动的空间形式和力波次数r有关。第四十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期二2、电机转子的固有振动特性电机转子的固有振动特性，主要是计算转轴的临界转速。（1）集中载荷的垂直轴

轴的临界转速由转子质量和轴的刚度所决定，它反映了轴的固有振动特性。对于电机来说，低的临界转速是较重要的。为减小电机转子的振动，设计时应使轴的临界转速与电机工作转速之差足够大，最好使其临界转速比额定转速至少高出15%。若第一临界转速低于额定转速40%左右，需计算第二临界转速。

（2）集中载荷的水平轴轴除了主临界转速外，还有一个次临界转速，其值等于主临界转速的一半。第四十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期二（5）电机轴系的扭振电机轴系在扭转方向的振动称为扭振。当施于轴系的转矩突增或突减时，轴系将发生自由扭振，相应的频