Nhiễu điện từ trong động cơ: Định nghĩa, đặc điểm và nguyên nhân

Nhiễu điện từ trong động cơlà vấn đề thường gặp trong quá trình vận hành động cơ. Nó bắt nguồn từ sóng lực điện từ được tạo ra bởi từ trường xen kẽ trong khe hở không khí giữa stato và rôto, cũng như hiệu ứng từ giảo của lõi sắt, gây ra dao động của lõi và khung sắt stato và tiếp tục phát ra tiếng ồn. Khác với tiếng ồn cơ học và tiếng ồn khí động học, tiếng ồn điện từ có nguyên nhân phức tạp và làm suy giảm hiệu suất hoạt động của động cơ. Sự hiểu biết sâu-về định nghĩa, đặc điểm và nguyên nhân gốc rễ của nó đóng vai trò là điều kiện tiên quyết cơ bản để tối ưu hóa hiệu suất động cơ và giảm tiếng ồn. Cụ thể, nó đề cập đến tiếng ồn trong không khí phát ra bên ngoài khi sóng lực điện từ định kỳ được tạo ra bởi từ trường xen kẽ trong khe hở không khí rô-to-của stato kích hoạt sự rung động cưỡng bức của lõi và khung stato, cùng với tiếng ồn rung động gây ra bởi hiệu ứng từ giảo của lõi sắt.

Nhiễu điện từ trong động cơcó thể phân biệt rõ ràng với tiếng ồn cơ học và tiếng ồn khí động học qua những đặc điểm điển hình sau:

Sau khi tắt động cơ, rôto tiếp tục quay do quán tính nhưng tiếng ồn sẽ biến mất ngay lập tức và hoàn toàn. Đây là phương pháp đơn giản nhất để phân biệt nhiễu điện từ với các loại nhiễu khác. Trong các thử nghiệm thực tế, tốc độ động cơ trước khi cắt điện phải cao hơn tốc độ tại đó xảy ra nghi ngờ nhiễu điện từ. Do tốc độ quay giảm nhanh sau khi ngắt nguồn (đặc biệt đối với động cơ nam châm vĩnh cửu), nên cần có tốc độ tắt tương đối cao để đảm bảo phạm vi tốc độ vận hành sau khi tắt nguồn-bao trùm dải tốc độ nơi xuất hiện nhiễu điện từ.

Nhiễu điện từ tần số-thấp thường biểu hiện dưới dạng âm thanh vo ve cộng hưởng buồn tẻ, chủ yếu do sóng hài từ trường-bậc thấp gây ra; nhiễu điện từ tần số cao- biểu hiện dưới dạng tiếng ồn rít hoặc rít sắc nét, chủ yếu bắt nguồn từ các sóng hài điều chế xung điện tử, sóng hài khe và sóng hài từ bậc cao-.

Sự cộng hưởng sẽ xảy ra khi tần số kích thích của sóng lực điện từ trùng hoặc xấp xỉ với tần số dao động tự nhiên của lõi và khung stato, dẫn đến độ ồn tăng theo cấp số nhân và gây ra tiếng ồn khắc nghiệt bất thường.

Cơ chế hình thành nhiễu điện từ diễn ra theo chuỗi: biến dạng từ trường-khe không khí → sóng lực điện từ xen kẽ → dao động cấu trúc cưỡng bức → bức xạ nhiễu, với biến dạng từ trường-khe hở không khí là nguyên nhân cốt lõi.

1. Dao động lực điện từ hướng tâm gây ra bởi sự biến dạng từ trường- của khe hở không khí

Khe hở không khí giữa stato và rôto là môi trường cốt lõi để truyền từ trường bên trong động cơ. Trong điều kiện lý tưởng, từ trường khe hở không khí tuân theo dạng sóng hình sin tiêu chuẩn với lực điện từ đối xứng và phân bố đồng đều, không dao động định kỳ, do đó không tạo ra rung động hoặc tiếng ồn. Tuy nhiên, trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, nhiều sai lệch về thiết kế và chế tạo chẳng hạn như độ lệch tâm-cực, độ lệch tâm của rôto{4}}stator, mạch từ không đối xứng và dòng điện pha không cân bằng sẽ làm biến dạng từ trường và tạo ra nhiều từ trường điều hòa. Khi đặt chồng lên từ trường cơ bản, các trường hài này tạo ra các sóng lực điện từ hướng tâm có bậc và tần số khác nhau. Hoạt động như các tải trọng xen kẽ định kỳ lên răng và lõi sắt của stato, lực hướng tâm liên tục kéo căng và ép cấu trúc của stato để gây ra rung động tần số cao- cho stato. Năng lượng rung được truyền đến khung động cơ, khuấy động không khí xung quanh và cuối cùng tạo thành nhiễu điện từ. Cơ chế chính này chiếm hơn 80% tổng năng lượng nhiễu điện từ.

2. Kích thích sóng hài theo rãnh gây ra bởi hiệu ứng rãnh

Các khe được gia công trên stato và rôto phá vỡ tính đồng nhất của mạch từ trong khe hở không khí và kích hoạt từ trường hài của khe. Việc mở khe rãnh stato và rôto dẫn đến sự dao động định kỳ của mật độ từ thông khe hở không khí{1}}, tạo ra các lực điện từ hài trong khe có bậc cố định và biên độ ổn định. Các lực điều hòa như vậy có tần số cố định và khả năng kích thích mạnh, là nguyên nhân hàng đầu gây ra hiện tượng kêu điện từ tần số cao-trong động cơ nam châm vĩnh cửu-cỡ vừa và nhỏ và động cơ cảm ứng. Đặc biệt khi số rãnh của stato và rôto khớp nhau một cách không hợp lý, biên độ của lực hài trong rãnh tăng mạnh, dễ cộng hưởng với kết cấu của stato và làm trầm trọng thêm khuyết tật tiếng ồn. Do đó, việc khớp khe rôto-stato là một thông số quan trọng trong thiết kế động cơ. Nó phải được xác nhận trong giai đoạn thiết kế ban đầu, vì việc sửa đổi ở giai đoạn sau sẽ vô cùng khó khăn.

3. Hiệu ứng từ giảo và nhiễu từ sóng hài điều khiển

Một mặt, các tấm thép silicon của lõi sắt động cơ trải qua sự biến dạng giãn nở và co lại nhỏ theo chu kỳ dưới tác dụng của từ trường xen kẽ, được gọi là hiệu ứng từ giảo. Các biến dạng-vi tần-cao như vậy gây ra rung động tổng thể của lõi sắt và tạo ra tiếng ồn điện từ tần số-thấp, đặc biệt nổi bật ở các động cơ công suất-cao có lõi sắt-kích thước lớn. Mặt khác, động cơ tốc độ-có thể điều chỉnh tần số-có thể thay đổi được cấp nguồn bằng bộ chuyển đổi tần số áp dụng phương pháp điều chế xung điện tử. Quá trình điều chế xung sóng-vuông tạo ra các sóng hài dòng điện và điện áp tần số-cao dồi dào, làm biến dạng thêm từ trường-khe hở không khí, tạo ra sóng lực điện từ tần số-cao và gây ra tiếng ồn rít tần số-cao độc nhất của động cơ có tần số-có thể thay đổi. Ngoài ra, độ lệch tâm của khe hở không khí, sự phân bổ cuộn dây không đối xứng, lỗi quay cuộn dây, độ thấm từ không nhất quán của các tấm thép silicon và các khuyết tật khác sẽ làm biến dạng từ trường trở nên trầm trọng hơn và gián tiếp tăng cường nhiễu điện từ.

Bản chất củanhiễu điện từ trong động cơviệc giảm thiểu nằm ở việc tối ưu hóa sóng hài, trong đó sóng hài khe là ưu tiên hàng đầu. Các loại sóng hài khác tương đối dễ tối ưu hóa hơn và gây ảnh hưởng nhỏ đến nhiễu điện từ. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sóng hài của khe bao gồm sự khớp với khe-cực, chiều rộng mở khe và chiều sâu mở khe, những yếu tố này phải được đánh giá toàn diện cùng với các chỉ báo hiệu suất động cơ khác trong quá trình thiết kế.