УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ШУМА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2014 года по МПК H04B1/28 

Заявляемое изобретение относится к области промышленной и строительной акустики, а также приборостроения и связано с шумоглушением электродвигателей производственного и бытового назначения.

Составляющие шума механического и аэродинамического происхождения по существу являются производными магнитной составляющей, как первообразной, формирующей исходное силовое электромагнитное поле и, соответственно, полную мощность ЭД. Однако в литературе (Кучер В.Я. Вибрация и шум электрических машин. - СПб.: Изд. СЗЗГУ, 2004.) обычно оперируют с ее активной частью, которая вместе с габаритами и скоростью вращения ЭД определяет условные нормы на уровни вибрации и шума без установления более или менее определенной взаимосвязи с акустическими параметрами. Последние в первую очередь зависят от развиваемой вибрационной мощности, возбуждаемой известными электродинамическими, электромагнитными и магнитострикционными силами (Барков А.В., Баркова Н.А., Борисов А.А. Вибрационная диагностика электрических машин в установившихся режимах работы. - СПб.: Изд. СЗУЦ, 2006).

Так, электродинамические силы (Лоренца) действуют тангенциально на проводники с общей длиной l обмотки, равномерно распределенной по всей окружности ротора, в которой протекает аксиально направленный ток I под действием радиального поля магнитной индукции В статора. Амплитудные значения этих сил определяются выражением

$$F_{ЭД}=B_{m}l{I}_m.\left(1\right)$$

Следовательно, данные силы, действуя на плечи, равные половине диаметра ротора, приводят его в периодическое вращение. Вместе с тем кажущаяся линейность зависимости F_ЭД (B,I) и постоянство вращения ротора во времени могут быть нарушены за счет высших гармоник и подгармоник (разностных частот), обусловленных изменениями в распределении токовой нагрузки из-за дискретности размещения обмоток и запаздывания пространственной периодичности индукции,

определяемых числом пар полюсов с колебаниями тока во времени, зависящих от частоты сети.

Аксиальные электромагнитные силы (Максвелла) действуют перпендикулярно на торцевые поверхности статора и ротора ЭД. Их амплитудные значения можно найти по формуле

$$F_{эм}=B_m^{2}S/2{\mu }_0,\left(2\right)$$

где µ₀=4π·10^-7 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума (воздуха); S - общая площадь сечения статора и ротора, разделенных воздушным зазором.

Магнитострикционные силы (Джоуля) вызывают радиальную деформацию кольцевых пластин электротехнической стали магнитопровода статора под действием его переменного магнитного поля, силовые линии которого располагаются по окружностям с центрами по оси колец. Амплитудное значение этих сил, как временных функций $$B_{m.i.}^2$$ , пропорционально квадрату приложенного напряжения Um·i к обмотке статора с числом витков n и может быть найдено из соотношения

$$F_{мс.i}=\pi {\alpha }_i{S}_{CT}{B}_{m.i.}^2=\pi {\alpha }_i{S}_{CT}{\left(\frac{U_{m.i.}}{n{\omega }_i}\right)}^2,\left(3\right)$$

где S_CT=(R_н-R_в)h - площадь сечения магнитопровода статора (R_н и R_в - соответственно наружный и внутренний радиусы, h - его длина); α_i - магнитострикционная постоянная стали (Пα/Тл или α/м); ω_i - угловая частота колебаний, кратная целым числам от частоты сети.

Радиальная деформация кольцевых пластин стали и в целом деформация статора приводит к многопериодическим изменениям геометрических размеров, его магнитопровода как по внутреннему (Q_в=2πR_вh), так и по наружному (Q_н=2πR_нh) контурам со следствием - вибрациями. Из (3) следует, что именно постоянная (дифференциальная) α_i устанавливает взаимосвязь амплитуды колебательного смещения ξ_m, например, внешнего контура (окружности Q_н) цилиндрического магнитопровода статора с известным феноменологическим эффектом - зависимости модуля упругости E_B (магнитной упругости) стали от амплитуды и направления поля индукции, т.е.

$${\alpha }_i\approx \frac{E_B}{B_{m.i}}\cdot \frac{\Delta Q_{н}}{Q_{н}},откуда{\xi }_{ь}=\frac{{\alpha }_i{B}_{m.i}{R}_{н}}{E_B},\left(4\right)$$

где ΔQ_н/Q_н - относительная наружная деформация магнитопровода статора, достигающая для электротехнической стали 10^-4…10^-5 при B_m≈1,5 Тл, а ξ_m - амплитуда колебательного смещения наружного контура магнитопровода, непосредственно характеризующая вибрационную мощность ЭД.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является устройство (Давыдов В.В., Лобанов В.В. Низкочастотный громкоговоритель - А.С. №1720172, опубликованное 15.03.1992. Бюл. №10), содержащее два одинаковых источника звука (шума), установленные симметрично на лицевой панели камеры малого объема, входные клеммы, подключенные через широкополосную фазосдвигаюшую цепь на операционных усилителях к одному источнику шума и широкополосную индуктивно-емкостную линию задержки, включенную между входными клеммами и другим источником звука (шума). Линия задержки выполнена с постоянным временем задержки и линейной зависимостью фазы сигнала от частоты с малыми активными потерями, а фазосдвигающая цепь выполнена с постоянным и не зависимым от частоты углом сдвига фаз на 90°.

Данное устройство позволяет за счет компенсации реактивной нагрузки воздуха в камере малого объема расширить диапазон воспроизводимых колебаний в области низких частот и повысить акустическую отдачу. Однако недостатком этого устройства является необходимость применения дополнительных усилителей мощности для получения требуемого эффекта.

Техническим результатом, на решение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности снижения шума в широком диапазоне частот, создаваемого электродвигателями производственного и бытового назначения.

Для получения указанного технического результата в устройстве компенсации шума электродвигателей, содержащем два идентичных электродвигателя, расположенных внутри камеры малого объема, входные клеммы, подключенные через узкополосную фазосдвигающую цепь к одному электродвигателю и резистивно-емкостную линию электрической задержки, подключенную между входными клеммами и другим электродвигателем, фазосдвигающая цепь выполнена узкополосной с настройкой фазы 90° для частоты сети 50 Гц, а линия электрической задержки выполнена в виде реостатно-емкостной цепи, при этом постоянная времени линии электрической задержки τ_э=RC, где R и C - соответственно активное и емкостное сопротивления реостатно-емкостной цепи, и равна постоянной времени акустической задержки τ_α=l/c, где l - расстояние между электродвигателями по длине камеры, c - скорость звука в воздухе.

Процесс шумоглушения обеспечивается корреляционным взаимодействием двух электродвигателей как по электрической цепи, так и по акустическому пространству камеры малого объема (КМО). Так, электрическая аддитивность двух напряжений с частотой 50 Гц и сдвига по фазе 90° приводит к уменьшению их суммарного эффекта и соответствующего шума в $$\sqrt{2}$$ раз (по уровню 3 дБ). Этот эффект сохраняется и для нечетных гармоник, возникающих в электрической цепи из-за нелинейности электромагнитных преобразований. В то же время для четных гармоник сети этот сдвиг увеличивается до 180° и сохраняется не менее чем до четвертой гармоники, что приводит к ослаблению их не менее чем в 2 раза (6 дБ). В свою очередь электрическая частотно- зависимая линия задержки с малой постоянной τ_э, равная акустической задержке τ_α, обеспечивает уменьшение уровня возбуждаемых шумов за счет демпфирования в камере резонансных явлений.

Сущность заявляемого изобретения поясняется на фигурах, где на фиг.1 представлена схема устройства, на фиг.2 - спектрограмма шума синфазного включения пары ЭД в КМО, на фиг.3 - спектрограмма шума фазированного включения пары ЭД в КМО.

Устройство (фиг.1) содержит два идентичных электродвигателя (ЭД) 1 и 2, камеру малого объема (КМО) 3, фазосдвигающую цепь 4 и линию электрической задержки 5. Фазосдвигающая цепь 4 включена между входными клеммами и первым электродвигателем 1. Линия электрической задержки 5 включена между входными клеммами и вторым электродвигателем 2.

Фазосдвигающая цепь 4 выполнена с настройкой на 90° для частоты сети 50 Гц, а параметры линии задержки зависят от значения времени задержки акустического сигнала по расстоянию l между электродвигателями 1,2.

Линия электрической задержки 5 выполнена в виде реостатно-емкостной цепи, при этом постоянная времени линии электрической задержки 5 τ_э=RC, где R и C - соответственно активное и емкостное сопротивления электрической цепи, равна постоянной времени акустической задержки τ_α=l/c, где l - расстояние между электродвигателями 1,2 по длине камеры 3, c - скорость звука в воздухе.

Цель введения линии электрической задержки 5 - достижение эффекта бегущей волны, когда давление и скорость колебаний частиц воздуха в любом сечении совпадают по фазе.

Устройство работает следующим образом.

В рабочем режиме сигнал от входных клемм поступает на линию электрической задержки 5 и фазосдвигающую цепь 4. На клеммы электродвигателя 1 подается питание частотой 50 Гц через фазосдвигающую цепь 4 со сдвигом по фазе по отношению к электродвигателю 2 на 90°. Через промежуток времени τ_α=l/c (l - расстояние между электродвигателями, c - скорость звука в воздухе) волновой процесс достигает второго электродвигателя 2. На это же время задерживается электрический сигнал, подаваемый на электродвигатель 2 с помощью линии электрической задержки 5.

Используемая фазосдвигающая цепь 4 обеспечивает постоянную величину фазового сдвига, равную 90° для основной частоты 50 Гц и нечетных гармоник и 180° - для четных гармоник, что позволяет реализовать эффект шумоглушения пары электродвигателей 1, 2 за счет взаимной компенсации основных составляющих магнитного шума.

При принятых значениях высоты и ширины камеры много меньше длины звуковой волны λ, а длина камеры l меньше λ/4 (где λ - длина звуковой волны на частоте 50 Гц), волновое поле в камере 3 будет одномерным, поскольку все характеристики звуковых волн, возбуждаемых электродвигателями 1, 2, будут зависеть, кроме времени (t), только от координаты (x) по длине камеры. Тогда волновое уравнение в частных производных для потенциала колебательной скорости φ частиц воздуха в камере будет иметь вид

$${\partial }^2\varphi /\partial t^2=c^2{\partial }^2\varphi /\partial x^2.\left(5\right)$$

Из общего решения для φ с учетом падающих и отраженных волн

φ=Aexp[jω(t-x/c)]+Bexp[jω(t+x/c)]

получим выражение для избыточного давления

$$p=\rho \partial \varphi /\partial t=j\omega \rho A\exp \left[j\omega \left(t-x/c\right)\right]+j\omega \rho B\exp \left[j\omega \left(t+x/c\right)\right]\left(6\right)$$

и колебательной скорости

$$\nu =-\partial \varphi /\partial x=j\omega A\exp \left[j\omega \left(t-x/c\right)\right]/c-j\omega B\exp \left[j\omega \left(t+x/c\right)\right]/c,\left(7\right)$$

где A и B - некоторые постоянные.

С учетом равенства τ_э=τ_α фаза колебаний сердечника статора ЭД1 будет отлична от фазы колебаний ЭД2 на величину ωl/c=kl (к=ω/c - волновое число, с - скорость звука), что определяет граничные условия, например, для амплитуды скорости колебаний

$${\nu }_m\left(x=0\right)={\dot{\xi }}_m\exp \left(jkl\right)и{\nu }_m\left(x=l\right)={\dot{\xi }}_m=j\omega {\xi }_m,\left(8\right)$$

где $${\dot{\xi }}_m$$ и ξ_m - соответственно, амплитуды колебательной скорости и смещения колебаний сердечников статоров ЭД 1, 2 без учета временных множителей.

Подставляя в (7) граничные условия (8), получим значения постоянных коэффициентов: A=0, $$B=-{\dot{\xi }}_{m}c$$ , которые позволяют найти выражения для результирующих амплитуд давления и скорости в виде суперпозиции колебаний двух ЭД 1,2, например, при x=0, т.е.

p_m(0)=-jωξ_mexp(jkl)ρc, ν_m(0)=-jωξ_mexp(jkl)

и, как следствие, для входного сопротивления воздуха в камере

$$Z_{вх}=p\left(0\right)/\nu \left(0\right)=\rho c.\left(9\right)$$

Соотношение (9) иллюстрирует акустический эффект взаимодействия ЭД 1,2 в камере 3, когда ее входное сопротивление оказывается равным волновому сопротивлению воздуха для плоской бегущей волны, а давление и скорость колебаний частиц воздуха в любом сечении совпадают по фазе.

Другой важный параметр - переходное сопротивление, характеризующее передачу звука, например, от ЭД1 к ЭД2, определяется из (6) и (7) с подстановкой (8) как отношение «входного» давления p_m(0) к «выходной» колебательной скорости ν_m(l), есть

$${\dot{Z}}_{пер}=p_m\left(0\right)/{\nu }_m\left(l\right)=\rho c/\exp \left(jkl\right)=\rho c\left(\cos kl-j\sin kl\right).\left(10\right)$$ ρ

Комплексное содержание $${\dot{Z}}_{пер}$$ показывает обмен энергиями реактивного характера между ЭД с их диссипацией активной составляющей ρс, как на частотах резонанса воздуха в камере f_p.n=(2n+1)/4l, так и на частотах антирезонанса f_α.n=nc/2l (n - числа натурального ряда) с ослаблением амплитуд основного тона и гармоник.

Экспериментальная оценка принципа компенсации шума электродвигателей в поле бегущих волн замкнутого объема проводилась в КМО методом сравнения двух рабочих режимов идентичной пары коллекторных электродвигателей с демонтированными вентиляционными крыльчатками: обычного и фазированного включения в сеть. Для определения уровней среднеквадратичных значений спектральных составляющих мощности шума посредством шумомера и компьютера использовался режим минимальной скорости вращения роторов. Сравнительные спектрограммы ΔN_i, ∂Б составляющих, полученные с использованием фильтров с постоянством полосы пропускания 4…6 Гц, представлены на фиг.2, 3.

Из сравнения спектрограмм следует, что фазированное включение ЭД способствует проявлению корреляционного эффекта между основными магнитными составляющими и соответствующими гармониками при их большей разряженности. При этом общий интегральный уровень в широкой полосе 3 Гц…16 кГц уменьшается с 88 дБ (синфазное включение) до 81 дБ (фазированное включение).

Устройство компенсации шума электродвигателей относится к области промышленной и строительной акустики.

Устройство содержит два идентичных электродвигателя, расположенных в камере малого объема, входные клеммы, подключенные через узкополосную фазосдвигающую цепь к одному электродвигателю, и резистивно-емкостную линию электрической задержки, подключенную между входными клеммами и другим электродвигателем, фазосдвигающая цепь выполнена узкополосной с настройкой фазы 90° для частоты сети 50 Гц, а линия электрической задержки выполнена в виде реостатно-емкостной цепи, при этом постоянная времени линии электрической задержки τ_э=RC, где R и C - соответственно активное и емкостное сопротивления реостатно-емкостной цепи, и равна постоянной времени акустической задержки τ_α=l/с, где l - расстояние между электродвигателями по длине камеры, с - скорость звука в воздухе.

Технический результат - повышение эффективности снижения шума в широком диапазоне частот. 3 ил.

Устройство компенсации шума электродвигателей, содержащее два идентичных электродвигателя, расположенных в камере малого объема, входные клеммы, подключенные через фазосдвигающую цепь к одному электродвигателю и линию электрической задержки, подключенную между входными клеммами и другим электродвигателем, отличающееся тем, что фазосдвигающая цепь выполнена узкополосной с настройкой фазы 90° для частоты сети 50 Гц, а линия электрической задержки выполнена в виде реостатно-емкостной цепи, при этом постоянная времени линии электрической задержки τ_э=RC, где R и C - соответственно активное и емкостное сопротивления реостатно-емкостной цепи, и равна постоянной времени акустической задержки τ_а=l/с, где l - расстояние между электродвигателями по длине камеры, с -скорость звука в воздухе.