Проблемные вопросы для изделий приборной техники. Вибрационные испытания.

Современная техника использует самые различные по акустическим характеристикам электрические машины: от практически бесшумных двигателей небольшой мощности до мощных быстроходных высокоиспользованных машин, создающих шум свыше 100—110 дБ. Шум, производимый машиной, распространяется двумя путями: через окружающую воздушную среду — воздушный шум и через элементы конструкции, связанные с ней, — корпусный или структурный шум. Уровень воздушного шума тем больше, чем больше колебательная скорость излучающей поверхности и размер самой поверхности, чем меньше длина звуковой волны и чем меньше размеры помещения.

В большинстве электрических машин наружный диаметр и длина соизмеримы. В первом приближении такие машины можно рассматривать как шаровые излучатели.

Шум электрической машины образуется от действия многих источников, которые можно подразделить на следующие три основные группы:

1. магнитный шум, -создаваемый колебаниями статора и ротора под влиянием переменных магнитных сил, действующих в воздушном зазоре;

2. аэродинамический шум, возникающий в результате вращения ротора в газовой среде и движения воздушных потоков внутри машины;

3) механический шум, обусловленный вибрацией деталей и узлов машины от остаточной неуравновешенности ротора, а также от работы подшипников и щеточного контакта.

В зависимости от конструктивных особенностей машины и ее технических параметров те или иные источники шума и вибрации могут в различной степени определять ее виброакустические характеристики В быстроходных машинах с воздушным охлаждением общий уровень воздушного шума определяется, как правило, аэродинамическими источниками. Вторым по величине является шум подшипников качения либо магнитный шум. В вибрационной картине быстроходных машин основную роль играют обычно механические источники (при наличии подшипников качения), а в некоторых случаях — магнитные. В тихоходных машинах шум и вибрация магнитного происхождения приобретают большее значение и часто являются превалирующими. В тех случаях, когда машина охлаждается посторонним быстроходным вентилятором, общий уровень шума часто определяется этим вентилятором.

Спектры шума и вибрации электрических машин при работе с постоянной скоростью вращения в большинстве случаев стационарны и отличаются большим количеством слагающих, распределенных практически непрерывно по всему диапазону звуковых частот. В некоторых случаях в спектрах выделяются отдельные дискретные составляющие, обусловленные вентиляцией или магнитными источниками, а также остаточной неуравновешенностью ротора. Значительно большие трудности возникают при необходимости снижения широкополосной части спектра, создаваемой вихреобразованиями воздуха и работой подшипников качения.

Улучшение виброакустических характеристик машины весьма желательно не только потому, что это обеспечивает более благоприятные условия труда и отдыха людей, но и потому, что оно, как правило, сопровождается улучшением целого ряда других важных параметров и характеристик машины. Прежде всего это относится к повышению надежности и долговечности благодаря применению более качественных подшипников, совершенствова­нию конструкции и качества изготовления подшипниковых узлов, повышению точности балансировки, уменьшению паразитных сил, вызванных магнитной несимметрией, и т. д. Осуществление мероприятий по снижению шума и вибрации может привести также к увеличению к. п. д. машины в результате сокращения вентиляционных, механических и отчасти магнитных (так называемых добавочных) потерь.

Следовательно, низкий уровень шума и вибрации электрической машины при прочих равных условиях может служить своего рода обобщенным показателем совершенства ее конструкции и качества ее изготовления.

Шум и вибрация электрической машины зависят в значительной мере от способа ее установки и монтажа у потребителя, в частности от конструкции фундамента. Большое значение имеет качество центровки при спаривании электродвигателя с исполнительным механизмом или генератора с приводным двигателем, а также совместная динамическая балансировка, особенно в моноблочных конструкциях.

Передача вибрации от работающей машины к соседним элементам конструкции может быть существенно ослаблена эффективной виброизоляцией, примененной в местах крепления и местах сочленения с другими механизмами и устройствами. При правильно осуществленной амортизации может быть обеспечен перепад в уровнях вибрации до 15—25 дБ.

ШУМ И ВИБРАЦИЯ МАГНИТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Магнитный шум и вибрация электрических машин обусловлены периодическими силами, возникающими от взаимодействия высших гармоник магнитных полей в воздушном зазоре между статором и ротором.

Основную роль играют радиальные составляющие магнитных сил. Действие аксиальных сил, вызывающих распушение пакета железа статора, ослабляется прессовкой и зажатием пакета крайними листами. Тангенциальные силы, вызывающие колебания зубцов, демпфируются находящимися в пазах обмоткой, изоляцией и клиньями. Высокие значе­ния собственных частот колебаний зубцов исключают возможность возникновения резонансных вибраций под действием этих сил.

Радиальные силы, действующие на статор, вызывают колебания растяжения и изгиба разных порядков, показанных схематически на рис.

Деформируемый статор возбуждает в окружающей упругой среде звуковые волны, интенсивность которых определяется .величиной действующих магнитных сил, частотами собственных колебаний деталей и узлов конструкции машины, а также характеристиками ее как звукового излучателя. Магнитный шум и вибрация характеризуются дискретными составляющими, частоты которых опреде­ляются чаще всего наиболее интенсивными зубцовыми полями.

В машинах постоянного и переменного тока (50 Гц) зубцовые составляющие имеют частоту в диапазоне 400—4000 Гц, т. е. находятся в области лучшего слухового восприятия. Поэтому магнитный шум при четко выраженном тональном характере хорошо прослушивается на фоне шума, возбуждаемого в машине другими источниками.

МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ МАГНИТНОГО ШУМА И ВИБРАЦИИ

Снижение магнитных вибраций и шума электрических машин может быть достигнуто следующими общими мероприятиями:

1. устранением или ослаблением интенсивности переменных радиальных магнитных сил низких порядков;

2. ограничением амплитуд колебаний статора увеличением жесткости его конструкции;

3. уменьшением коэффициентов динамичности удалением собственных частот колебаний статора от вынужденных;

4. устранением конструктивных и технологических несимметрий в магнитопроводах и обмотках;

5. ограничением распушения шихтованных элементов магнитопровода при перемагничивании;

6. уменьшением поверхности излучения.

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ШУМ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ

Источниками аэродинамического шума в электрической машине могут быть вентиляторы, вращающийся ротор и вихреобразования в воздушном потоке при протекании его по вентиляционным каналам.

Относительная интенсивность каждого из этих источников зависит от конструктивных особенностей вентиляционного узла и всей машины в целом. В большинстве случаев основным источником аэродинамического шума в машине является вентилятор. Он создает шум вращения с частотой, кратной произведению числа лопаток на число оборотов в секунду, шум от неоднородности потока с той же частотой, а также вихревой шум с широким диапазоном частот.

Для вентиляторов, различающихся диаметром или скоростью вращения, но удовлетворяющих законам аэродинамического подобия, сравнительная оценка шумности может быть произведена по формуле

, дБ

где L₁ — уровень шума вентилятора диаметром D_lH и скоростью вращения п₁ , L₂ — то же, диаметром D_2h и скоростью вращения n₂

Снижение аэродинамического шума может осуществляться в двух направлениях: уменьшением интенсивности источников шума и заглушением возникающего шума при помощи звукопоглощающих и звукоизолирующих конструкций, встраиваемых или пристраиваемых к машине.

Наибольшего эффекта в снижении аэродинамического шума можно достичь применением невентилируемых машин закрытого исполнения.

МЕХАНИЧЕСКИЙ ШУМ И ВИБРАЦИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ

Источниками механического шума и вибрации в электрических машинах являются неуравновешенность ротора, подшипниковые узлы и щеточный контакт.