1.7.1. Источники вибрации и шума электрических машин

Силы, вызывающие вибрацию электрической машины, подразделяются на силы магнитного, механического и аэродинамического происхождения. Основными источниками вибрации и шума электрических машин являются магнитные, механические и аэродинамические источники.

Магнитные источники вибрации связаны с высшими пространственными гармоническими, которые обусловлены наличием зубцов на статоре и роторе, несимметрией и несинусоидальностью напряжения питания, эксцентриситетом воздушного зазора, несинусоидальным распределением МДС обмотки и целым рядом других причин [22].

К механическим источникам относятся небаланс ротора, несоосность и перекос

в асинхронных двигателях, возникают вибрации и при чисто синусоидальном магнитном поле в воздушном зазоре, когда спектр поля содержит только основную гармонику. В этом случае вибрации возникают под действием радиальной силы, которая деформирует осевую линию статора в 2р-угольник с частотой, равной удвоенной частоте питания. В общем случае любые причины несинусоидальности магнитного поля следует рассматривать как причины увеличения виброактивности асинхронного двигателя прежде всего на двойной частоте питания.

Деформации отдельных деталей, узлов и машины в целом являются причиной возникновения звуковых волн — шума, причем интенсивность этого процесса зависит от возмущающих сил, упругих свойств материалов, используемых в электрической машине, конструкции и ее акустических свойств.

Среди вибровозмущающих сил механического происхождения следует отметить силы, обусловленные подшипниками качения. Интенсивность этого источника вибрации и шума зависит от целого ряда факторов, связанных с технологическими погрешностями изготовления подшипников качения и подшипникового узла. Большое значение имеют виброакустические свойства подшипниковых щитов, которые при определенной конструкции могут быть интенсивными излучателями звука.

Основными недостатками подшипников в машинах с горизонтальным расположением вала, влияющими на уровень вибрации и шума, являются: недостаточная жесткость корпуса подшипника в продольном и поперечном направлениях, совпадение частоты собственных колебаний корпуса подшипника с частотой вращения ротора при различных режимах работы электрической машины, эксцентричная нагрузка на корпус подшипника, приводящая к изгибающему моменту, действующему в вертикальной плоскости.

Одним из основных источников вибрации и шума механического происхождения является остаточная неуравновешенность вращающихся частей электрической машины. Неуравновешенность ротора возбуждает значительные вибрации и шум, особенно в быстроходных машинах.

При трении щеток о коллектор или контактные кольца в электрической машине возбуждаются вибрации и шум, имеющие высокочастотные составляющие. Вибрации и шум, обусловленные коллекторно-щеточным узлом, характерны для крупных машин постоянного тока.

Силы аэродинамического происхожде-

ния вызывают вибрации и шум, уровень которых зависит от правильности выбора количества и формы лопаток, типа вентилятора, его аэродинамических свойств, числа и профиля вентиляционных каналов, правильности расположения вентиляторов относительно деталей и узлов электрической машины.

Технология производства оказывает большое влияние на стабильность виброакустических характеристик. Практика показывает, что их разброс даже у однотипных электрических машин может достигать 20 дБ.

Задачу снижения вибрации от остаточной неуравновешенности ротора в настоящее время можно считать практически решенной. Качество современного оборудования для динамической балансировки позволяет выполнить эту задачу с заданной степенью точности, что является условием для получения вибрационных характеристик, удовлетворяющих заданным требованиям.

Все неуравновешенные силы, возникающие в электрических машинах, вызывают изменяющиеся во времени дополнительные нагрузки на подшипники, в результате чего происходят виброперемещения последних. В совокупности с конструктивными недостатками подшипниковых узлов эти силы вызывают вибрацию электрической машины в целом.

Следует особо отметить значение в шу-мообразовании подшипников волнистости и гранности рабочих поверхностей.

С увеличением номинального внутреннего диаметра подшипников их шум и вибрации возрастают на 1 — 2 дБ на единицу номера типоразмера подшипника.

В значительной мере виброактивность подшипников качения зависит от размеров радиального зазора. Возникающая при этом прецессия вала приводит к ударным взаимодействиям вала с телами качения, вследствие чего генерируется широкий спектр вибраций и шума.

Роликоподшипники имеют уровень вибрации и шума на 1 — 3 дБ больше, чем шарикоподшипники тех же размеров.

Снижение уровня шума и вибрации может быть достигнуто применением подшипников скольжения, которые обеспечивают достаточную бесшумность работы и повышенную вибростойкость.

Демпфирующее действие на вибрацию и шум электрической машины, вызванные колебаниями подшипникового узла, оказывает смазка подшипников. Выбор смазки производится с учетом частоты вращения,

рабочей температуры узлов, нагрузки и характера окружающей среды.

Правильный выбор смазки обеспечивает снижение критической частоты, рассчитанной для ротора на жестких подшипниках, и демпфирование виброперемещения ротора.

Устойчивость движения шейки вала на масляной пленке смазки можно повысить увеличением на нее нагрузки. Для этого целесообразно применять вкладыши специальной конструкции, которые позволяют повысить устойчивость движения шейки вала и достигнуть более точного центрирования оси последней.

В машинах с малонагруженными быстроходными роторами, имеющих широкий диапазон рабочей частоты вращения, целесообразно применять подшипники скольжения с самоустанавливающимися сегментами, которые под действием гидродинамического давления в масляном канале занимают оптимальное положение.

Улучшение виброакустических характеристик электрических машин может быть достигнуто применением осевого натяга с помощью пружинных шайб.

Снижению уровня вибрации способствует и установка подшипников качения во вкладыши из прессованного медного волокна определенной пористости. С помощью таких опор удается отстроиться от резонанса системы «ротор — корпус — основание» и понизить уровень вибраций на средних и высоких частотах до 12 дБ.