提高电机功率密度和降低噪声的途径和方法

摘要 随着国民经济的不断发展，与之而来的环境污染问题也日渐严重，不少产业在发展过程中并未重视环保问题。探索节能减排、具有生态环保意识的新经济发展模式成为社会各界关注的话题。电机制造企业也深耕技术研发，研究高效率、高功率密度、低噪声的现代化设备。本课题对如何提升电机功率密度，以及降低点击噪声的途径与方法进行探索，提出具有可操作性的相关策略。

【关键词】电机 功率 噪声

数据统计显示，自上世纪九十年代起，包括西门子、东芝、三菱在内全球知名的电机制造巨头所制造的高压电动机，其功率范围介于355KW至11700KW之间，电压介于6KV至10KV之间，极数介于2极至12极之间，相比国内发电机低2至3个中心高，轻30%至50%，即功率密度高出一半左右，少数先进高压发电机的功率密度甚至比国内通用产品高出一倍以上;在高功率档中，功率与国内发电机相差不大，但在运行过程中的噪声要低不少。尤其是西门子和ABB所生产的电机，效率和功率因素指标显示在75%负载时，即能实现较高效率，而国内仅有少数高效电动机能做到这一点，这使得西门子和ABB所生产的电机在工业制造中更具有实践优势。全球知名电机制造巨头的绝缘技术、通风散热技术、高性能材料技术在世界范围内处于领先定位，因此这些企业所生产出的产品具有较强的市场竞争力。

1 实现电机高效高功率密度的途径

1.1 薄而可靠的绝缘系统提升电机功率密度

绝缘厚度直接决定了电机体积大小，在生产过程中，绝缘厚度降低，能够有效减小电机体积、减轻电机重量，从而使得功率密度得以提升。匝间绝缘减薄能够大幅提升槽满率，进而提升电动机的运作效率。例如西门子公司在产品制造中，对匝间绝缘以及单边对地绝缘的有着严格要求，例如6KV匝间绝缘厚度不得超过0.3毫米，而国内这一标准为04毫米，单边对地绝缘厚度不得超过1.04毫米，而国内这一标准为1.3毫米;10KV匝间绝缘的厚度不得超过0.45毫米，而国内这一标准为0.5毫米，单边对地绝缘厚度不得超过2.0毫米，而国内这一标准为2.5毫米。

1.2 优化通风散热，提升冷却效率

提升电机功率密度的关键，在于提升电机的通风散热性能。科学的内风路结构能够提升内风路冷却风量和内风资源分配，进而有效提高冷却效率。电机产品在设计研发中，需要重点关注径向通风道、绕组端部冷却风道和内风扇的设计，使得冷却器能够同时从属于内风路系统和外风路系统，进而切实降低内风风阻，实现外风压降，提升散热性能提高。除此之外还要进一步完善外风路系统，提升产品的通风散热水平，并使得噪声得到切实降低，提升产品的工作效率。

1.3 优化电磁设计，优选高性能材料，减少电机损耗

减少电机损耗，能够有效减少电机发热，使得电机使用效率上升，铁耗、杂散损耗和机械损耗是电机的三大主要损耗。科学分配三大损耗，将电机在处于75%负载时效率最高，需要减少不变损耗占比，提升可变损耗占比，即降低铁耗、机械损耗在总损耗中的比例，提升定子铜耗、转子铜耗在总损耗中的比例。具体方法包括：选用更为优质的铜材料，以降低铜耗;选用导磁性更高的硅钢片，减少铁耗;科学运用槽形或线圈端部结构、优化铁心工艺、减少冲片毛刺等方法，减少杂散损耗;提升风扇效率，减少机械损耗等。

1.4 优化结构设计

优化电机结构，能够切实提升产品的通用性与互换性，尤其是新型机座、定子相关结构的优化，直接决定产品竞争力提升。降低电机中心高，不光减小定子、转子外径同比例，也要对机座、定子结构作出优化设计。探索电机机座、定子的机械应力、振动模态、固有频率，对转子刚度、变形量进行反复论证，在电机可靠性不变的基础上，减低结构件材料使用量。

2 實现电机低噪声的途径

2.1 降低电磁噪声

实践证明，电机定子、转子不同的槽配合，以及电子绕组的节距不一，会导致频率、谐波出现差异，进而对电磁噪声造成影响，由此可见科学的槽配合和电子绕组节距，能够有效降低危险谐波幅值，进而使得电机频率与激振频率相去甚远，实现减轻电磁噪声的目的。实验表明，气隙偏心率、绕组中并联支路接线方式，也能够影响电磁噪声的强弱，因此在产品设计和生产制造中，同样要进行关注。

2.2 降低通风噪声

优化内外风路风扇，能够在实现通风散热目标的同时，减少通风噪声。通风噪声和风扇外径尺寸之间存在正相关关系，风扇效率包括流动、容积、内部机械三方面，选用效率优异的风扇型式，能够降低风扇大小。并通过技术模拟，在确保通风散热标准符合的基础上，尽可能选择尺寸较小的风扇外径，进而有效降低通风噪声。影响通风噪声强弱的因素还包括冷风风路结构，尤其是外冷风风路，可以在风扇通风口增加集流器和扩散期，减少风量损失选用蜗壳形式的材料，减少风罩流动;保障通风顺畅，减少风量进出过程中的涡流噪声。

3 结语

随着时间的推移，国内电机生产企业的技术研发、原材料运用不断进步，使得我国电机产业现代化、国际化进程得以加速推广，现阶段国内不少电机生产企业在积极学习和借鉴国际先进技术的同时，结合企业实际情况，生产出具有高附加值的先进电动机，有力推动我国高压三相异步电动机生产水准提升。下一阶段，应致力于提升电机功率密度和降低噪声研究，以进一步提高我国电机产品的市场核心竞争力。

参考文献

[1]李曾，关玉明，刘纯祥等，适配功率电机齿槽转矩削弱方法研究[J]，电机与控制应用，2017 （12）：74-80.

[2]李曾，关玉明，李朝等，适配功率电机换向性能分析[J].测控技术，2017 （10）：138- 141.

[3]张允志，曹为理，韩瑜.一种高功率密度电机驱动器的设计实现[J].微电机，2017 （07）： 88-92.

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