Elektromagnetski šum u motorima: Definicija, karakteristike i uzroci

Elektromagnetski šum u motorimačest je problem tijekom rada motora. Potječe od valova elektromagnetske sile koje stvara izmjenično magnetsko polje u zračnom rasporu između statora i rotora, kao i magnetostrikcijski učinak željezne jezgre, koji izaziva vibracije željezne jezgre statora i okvira te dalje zrači buku. Za razliku od mehaničke buke i aerodinamičke buke, elektromagnetska buka ima složene uzroke i narušava radne performanse motora. Duboko-razumijevanje njegove definicije, karakteristika i korijenskih uzroka služi kao temeljni preduvjet za optimizaciju motoričkih performansi i smanjenje buke. Konkretno, odnosi se na buku u zraku koja zrači prema van kada periodični valovi elektromagnetske sile koje proizvodi izmjenično magnetsko polje u zračnom rasporu statora-rotora pokreću prisilne vibracije jezgre statora i okvira, zajedno s bukom vibracija izazvanom magnetostrikcijskim učinkom željezne jezgre.

Elektromagnetski šum u motorimamože se jasno razlikovati od mehaničke buke i aerodinamičke buke putem sljedećih tipičnih karakteristika:

Nakon što se motor isključi, rotor se zbog inercije i dalje vrti, ali buka trenutno i potpuno nestaje. Ovo je najjednostavniji način razlikovanja elektromagnetske buke od drugih vrsta buke. U praktičnim testovima, brzina motora prije prekida napajanja mora biti veća od brzine kod koje se sumnja da se pojavljuje elektromagnetski šum. Budući da brzina rotacije brzo opada nakon prekida napajanja (posebice za motore s trajnim magnetima), potrebna je relativno visoka brzina isključivanja kako bi se osiguralo da raspon radnih brzina nakon-isključivanja napajanja pokriva pojas brzine u kojem se pojavljuje elektromagnetski šum.

Nisko{0}}frekventni elektromagnetski šum obično se predstavlja kao tupi rezonantni zvuk brujanja uglavnom uzrokovan -harmonicima magnetskog polja niskog reda; visokofrekventni-elektromagnetski šum očituje se kao oštro zviždanje ili škripanje, koji prvenstveno proizlazi iz PWM modulacijskih harmonika, harmonika utora i magnetskih harmonika visokog{3}}reda.

Rezonancija će se pojaviti kada se frekvencija pobude valova elektromagnetske sile podudara ili je približna prirodnoj frekvenciji vibracija jezgre i okvira statora, što dovodi do eksponencijalnog porasta razine buke i rezultira oštrom abnormalnom bukom.

Mehanizam nastanka elektromagnetske buke slijedi lanac: izobličenje magnetskog polja u zračnom-prozoru → valovi izmjenične elektromagnetske sile → prisilne strukturalne vibracije → zračenje buke, s izobličenjem magnetskog polja u zračnom-prozoru kao temeljnim uzrokom.

1. Radijalne fluktuacije elektromagnetske sile izazvane izobličenjem magnetskog polja zračnog-procjepa

Zračni raspor između statora i rotora je središnji medij za prijenos magnetskog polja unutar motora. U idealnim uvjetima, magnetsko polje zračnog-procjepa slijedi standardni sinusni valni oblik s ravnomjerno raspoređenim i simetričnim elektromagnetskim silama bez periodičnih fluktuacija, ne stvarajući vibracije ni buku. U praktičnim inženjerskim primjenama, međutim, različita odstupanja u dizajnu i proizvodnji kao što su podudaranje polova-utora, ekscentricitet statora-rotora, asimetrični magnetski krugovi i neuravnotežene fazne struje će iskriviti magnetsko polje i generirati brojna harmonijska magnetska polja. Kada se superponiraju na osnovno magnetsko polje, ta harmonijska polja proizvode valove radijalne elektromagnetske sile različitih redova i frekvencija. Djelujući kao periodična izmjenična opterećenja na zupcima statora i željeznoj jezgri, radijalne sile kontinuirano rastežu i stiskaju strukturu statora kako bi izazvale visoko{7}}frekventne vibracije statora. Energija vibracija prenosi se na okvir motora, uzburkava okolni zrak i na kraju stvara elektromagnetsku buku. Ovaj glavni mehanizam odgovoran je za više od 80% ukupne energije elektromagnetskog šuma.

2. Harmonijska pobuda proreza uzrokovana učinkom proreza

Utori izrađeni na statoru i rotoru prekidaju jednolikost magnetskih krugova u zračnom rasporu i pokreću harmonijska magnetska polja utora. Otvori utora statora i rotora dovode do periodičnih fluktuacija gustoće magnetskog toka zračnog-procjepa, generirajući harmonijske elektromagnetske sile utora s fiksnim redoslijedom i stabilnim amplitudama. Takve harmonijske sile imaju fiksne frekvencije i snažan kapacitet pobude, što predstavlja vodeći uzrok visoko{3}}frekventnog elektromagnetskog zvižduka u malim i srednjim-motorima s trajnim magnetima i indukcijskim motorima. Osobito kada su brojevi utora statora i rotora nerazumno usklađeni, amplituda harmonijskih sila utora naglo se povećava, što lako rezonira sa strukturom statora i pogoršava nedostatke buke. Stoga je usklađivanje utora statora-rotora kritičan parametar u dizajnu motora. Mora se potvrditi u početnoj fazi projektiranja jer će izmjene u kasnijoj fazi biti iznimno teške.

3. Magnetostrikcijski učinak i smetnje od regulacijskih harmonika

S jedne strane, silikonske čelične ploče željezne jezgre motora podvrgavaju se povremenoj sićušnoj deformaciji širenja i skupljanja pod izmjeničnim magnetskim poljima, poznatom kao magnetostrikcijski učinak. Takve visoko{1}}frekventne mikro-deformacije pokreću ukupne vibracije željezne jezgre i proizvode nisko{3}}frekventno elektromagnetsko zujanje, koje je posebno izraženo u-motorima velike-snage s velikim-željeznim jezgrama. S druge strane, motori s promjenjivom-frekvencijom-brzine napajaju se pretvaračima frekvencije koji prihvaćaju PWM modulaciju. Pravo-valna pulsna modulacija uvodi obilne visoko{11}}frekventne naponske i strujne harmonike, koji dodatno iskrivljuju magnetsko polje zračnog-procjepa, generiraju visoko{13}}frekventne valove elektromagnetske sile i uzrokuju jedinstvenu visoko{14}}frekventnu zvižduću buku motora s promjenjivom-frekvencijom. Osim toga, ekscentričnost zračnog-raspona, asimetrična raspodjela namota, pogreške u zavojima namota, nedosljedna magnetska propusnost silicijskih čeličnih limova i drugi nedostaci pogoršat će izobličenje magnetskog polja i neizravno pojačati elektromagnetski šum.

Bit odelektromagnetski šum u motorimasmanjenje leži u optimizaciji harmonika, među kojima su harmonici utora glavni prioritet. Ostale vrste harmonika je relativno lakše optimizirati i imaju manji utjecaj na elektromagnetski šum. Ključni čimbenici koji utječu na harmonike utora uključuju-usklađivanje utora, širinu otvora utora i dubinu otvora utora, koji će biti sveobuhvatno ocijenjeni zajedno s drugim pokazateljima performansi motora tijekom projektiranja.