结构设计、噪声和振动

西北工业大学电机设计结构设计、噪声和振动典型结构介绍二.结构设计的基本内容、原则和方法三.电机的噪声和振动源及抑制噪声的措施简介一.电机的基本结构形式影响电机总体结构的因素：电机的类别、运行条件、原动机或被传动机械的种类及传动方式、电机的容量与转速、冷却方式、防护型式、轴承型式和数目、安装方式等。结构分类电机的总体结构可有不同的分类方法，下面简单介绍按通风冷却系统、防护型式和安装结构型式来进行分类。（一）按通风冷却系统分类空冷：自冷、自扇冷、他扇冷、管道通风、自由循环通风、封闭循环通风等；其他冷却介质：氢、水，且卫封闭循环系统（二）按防护型式分类分为开启式、防护式、封闭式、防爆式、防水式、水密式、潜水（油）式等。1.开启式结构特点：其带电和转动部分没有专门的保护装置；适用电机：卧式、低速的中大型直流电机和凸极同步电机，低电压大电流的直流电机。因为是开启式，所以适用于干燥、室内、外部环境比较洁净的地方。1.1结构分类开启式电机防护式结构特点：其机壳结构对电机内带电部分和转动部分有必要的机械保护，以防止意外接触，但这种保护并不显著妨碍电机的通风。分类：根据通风口防护结构的不同分为：网罩式：用铁丝网或多孔金属薄板遮盖通风口，使直径大于15mm的外物不能接触到电机的带电和转动部分；防滴式：防止垂直下落的液体或固体直接进入电机的内部；防溅式：防止与垂直线的夹角成100°的范围内任何方向的液体或固体进入电机内部。适用电机：使用场所对电机无特殊要求的情况。封闭式结构特点：其机座和端盖能阻止电机内外空气自由交换，但不要求完全密封；可以防护来自任何方向的液体和异物进入电机内部。适用电机：安装在多尘或露天（但气候不异常）场合的电机。封闭式电机防爆式（隔爆式）结构特点：其外形与封闭式电机类似，但其机座和端盖具有较高的机械强度，能承受爆炸性气体在电机内部产生的爆炸力，而且沟通电机内外的各金属接缝面均具有足够的长度，以防止爆炸时电机内部的高温气体迅速传递到电机外部。适用电机：煤矿和化工等企业中使用的电机。防爆电机作为主要的动力设备，通常用于驱动泵、风机、压缩机和其他传动机械等。防水式结构特点：其机壳结构能阻止具有一定压力的水进入电机内部。6.水密式结构特点：其浸没在水中时，机壳结构能阻止水进入电机内部。7.潜水（油）式结构特点：在规定的水（油）压下，能长期在水（油）中运行。（三）按安装结构型式分类国家标准《GB997—81》规定，对于旋转电机，根据安装结构型式，可分为表8-1所示的9类，每类又分为若干组。（具体见书P141）1.1结构分类典型结构介绍无论哪种电机，结构上都是由固定（静止）、转动和过渡三大部分组成。下面简述三种主要类型的电机典型结构：（一）感应电机1、封闭式2、防护式3、箱型结构（二）同步电机1、凸极同步电机2、隐极同步电机（三）直流电机（一）感应电机1.封闭式基本特征：卧式、机座带底脚、有两个端盖轴承、单轴伸（根据需要也可制成双轴伸）、带内外风扇。（一）感应电机2.防护式基本特征：机座带底脚、有两个端盖轴承、单轴伸，采用两侧对称的径向通风系统（一般为自通风，根据需要也可制成管通风），铁心中有通风道。（一）感应电机3.箱型结构主要部件：外罩、底座、定子、转子和轴承。优点：1）零部件的通用性很高；2）易实现标准化；3）生产周期短、绝缘质量提高；4）机械加工量少，气隙均匀度高，下线方便，拆卸容易。（二）同步电机1.凸极同步电机从结构上可分为卧式和立式两大类。卧式结构使用范围：大多数同步电动机、调相机和用内燃机或冲击式、贯流式水轮机拖动的发电机；立式结构使用范围：混流式和轴流式水轮机拖动的水轮发电机和少数同步电动机。1）卧式凸极同步电机基本特征：卧式、基座带底脚、有两个端盖式轴承、单轴伸、自扇冷通风系统。（二）同步电机2）立式凸极同步电机主要用于水轮发电机，根据推力轴承的位置可分为：悬式和伞式。（三）直流电机基本特征：防护式、基座带底脚、有两个端盖轴承、单轴伸（根据需要也可制成双轴伸）、自扇冷轴向抽风式通风系统。二.结构设计的基本内容、原则和方法2.1结构设计的基本内容①确定电机的总体结构型式，包括防护型式、轴承型式和数目、轴伸型式、安装方式、通风系统等。②确定零部件的结构型式、材料、形状、尺寸、加工精度、形位公差、表面粗糙度和技术要求等。③确定某些零部件之间的机械连接方式、配合种类等。④核算零部件的机械性能。二.结构设计的基本内容、原则和方法2.2结构设计的原则①应保证电机在规定期限内能安全可靠地运行；②所有结构型式一般应符合有关国家标准规定，如防护型式、轴承型式、中心高、外形尺寸、安装尺寸等；③尽量使零部件符合“标准化、系列化、通用化”的要求；④应具有良好的结构工艺性；⑤应考虑电机装拆和维修方便；⑥适当注意外形美观。二.结构设计的基本内容、原则和方法2.3结构设计的方法包括交流电机的结构设计和直流电机的结构设计。（1）交流电机的结构设计1、确定总体结构2、确定定、转子的结构①定子结构设计的内容和方法定子铁心：确定轴向和周向固紧方式，径向通风道元件的结构；采用扇形片时，确定扇形片划分、鸽尾槽数目、尺寸、布型；大型还要确定铁心两端阶梯部分的具体结构；定子绕组：应先计算和作图求得端部尺寸；确定固定方式；作出定子的分装草图。二.结构设计的基本内容、原则和方法②转子结构设计转子铁心：如同步机确定磁极和磁轭的详细结构尺寸固紧方式；如其它转子铁心，除具有轴向通风道时要确定相应的结构外，其它与定子铁心情况相似；转轴：设计转轴各档部分尺寸，加工精度，形位公差，表面光洁度；核算转轴的机械强度。转子铁心与转轴组合：套轴式、支架式。决定转子铁心和转国的径向尺寸的关系；作出转子草图。二.结构设计的基本内容、原则和方法③端盖结构和尺寸主要根据通风系统、绕组对地绝缘距离、轴承套结构及端盖的刚度与强度等方面的要求确定。④作出总装草图，同时布置风扇校核各部件的相对位置，必要间隙是否适当，安装、外形尺寸是否符合要求；制造装配拆卸维修是否方便，进行必要的修改，逐步给出零件图，详细准确的总装配图，校核总装尺寸。二.结构设计的基本内容、原则和方法（2）直流电机的结构设计直流电机与交流电机大体相似，只是电枢在转子上磁极在定子上，且有换向极。三.噪声和振动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。缺点：影响人们生活和工作；使物理装置和设备疲劳或失效；干扰其他信号。因而，必须采取一定的措施，将噪声减少到允许限度以内。电机是一种噪声源。它的噪声水平是衡量质量标准的一项重要指标，且在市场竞争中也是一个重要因素。三.噪声和振动电机中产生的噪声电磁噪声空气动力噪声机械噪声气隙中各谐波磁场引起的交变电磁力例如轴承或电刷装置等的机械摩擦宽频带声汽笛声哨声结构件（如风扇等）在气体中旋转定、转子零件之间的相对移动空隙中共振干扰气体压力周期性波动气体中有涡流使气体受扰动铁心及与其相联的机械构件中的振动、共振周期或非周期机械冲击或振动噪声通过电机周围空气而传播电机产生的三类噪声及其振动源分类三.噪声和振动（一）噪声的一般概念（1）噪声的物理量度（2）噪声的测量（3）噪声和振动的标准三.噪声和振动（1）噪声的物理量度①声压级物体产生机械振动时，振动在弹性介质（包括气体、液体和固体以及等离子体）中以波的方式进行传播，这个弹性波就是声波。声波是疏密波，随着发声体的振动，使周围空气时而变密，时而变稀，并以波的形式向远处传播。空气变密时，压力增高；变稀时，压力降低。因而，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。声压可用来衡量声音的强弱。声压以p（有效值）表示，单位为Pa。三.噪声和振动正常人耳刚能听到的声压是：2×10-5Pa；能使人耳产生疼痛感觉的声压是：20Pa；声压级：单位：分贝（dB）—声压；—基准声压，取1000Hz时的声压，即2×10-5Pa。0lg20ppLpp0p三.噪声和振动（1）噪声的物理量度②声强级和声功率级声功率:声源在单位时间内辐射出来的总声能；单位为W；声强I:在垂直于声波传播方向、单位时间内通过单位面积的声能。单位为W/m2。当声波为正弦波且按平面波形式传播时，声强和声压的关系：—介质的特性阻抗—传播声波的介质密度—介质中的声速cpZpI2020Zc三.噪声和振动声功率级：声强级：—基准声功率—基准声强0lg10WWLW0lg10IILI0I0三.噪声和振动（1）噪声的物理量度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。噪声测量中最常用的是：倍频程和1/3倍频程倍频程：上下限两个频率值之比为2:1的频带，即1/3倍频程:将一个倍频程按关系再分为三段频带，即中心频率：某一频程上限频率和下限频率的几何平均值，即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。实际上，测量噪声时通常只需要使用中心频率为63~8000Hz的八个倍频程，它们所包括的频率范围如表9-1所示。2下上ff312312下上ff下上中fff三.噪声和振动（1）噪声的物理量度④响度级人耳对声音的感受，不仅和声压有关，而且也和频率有关。对声压级相同但频率不同的声音，听起来是不一样响的，频率高的比较响。所以，我们用响度级把声压和频率统一起来，来表示声音响度的高低。三.噪声和振动（2）噪声的测量常用的噪声测量仪器：声级计、频谱分析仪和自动记录仪。声级计：可单独测量声级，还可接入带通滤波器，对噪声进行频谱分析仪。频谱分析仪和自动记录仪：噪声通过一组倍频程带通滤波器，得到倍频程噪声频谱，自动记录仪可自动记录声级和频谱图。三.噪声和振动（3）电机噪声和振动的标准我国GB755-81《电机基本技术要求》规定：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（低噪声级）四个等级。电机的振动限值分为N级（普通级）、R级（一级）、S级（优等级）三个等级。表9-2、9-3分别给出了N级的A计权声功率级的噪声限值和电机的振动限值。三.噪声和振动（二）电机的电磁振动噪声定、转子绕组磁势气隙磁导气隙磁场作用于电机铁心电磁力电磁