устройство компенсации шума электродвигателей

Формула изобретения

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 _э=RC, где R и C - соответственно активное и емкостное сопротивления реостатно-емкостной цепи, и равна постоянной времени акустической задержки _а=l/с, где l - расстояние между электродвигателями по длине камеры, с -скорость звука в воздухе.

Описание изобретения к патенту

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

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

где µ₀=4 ·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 , пропорционально квадрату приложенного напряжения Um·i к обмотке статора с числом витков n и может быть найдено из соотношения

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); _i - магнитострикционная постоянная стали (П /Тл или /м); _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=2 R_вh), так и по наружному (Q_н=2 R_нh) контурам со следствием - вибрациями. Из (3) следует, что именно постоянная (дифференциальная) _i устанавливает взаимосвязь амплитуды колебательного смещения _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.

где Q_н/Q_н - относительная наружная деформация магнитопровода статора, достигающая для электротехнической стали 10^-4 10^-5 при B_m 1,5 Тл, а _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 _э=RC, где R и C - соответственно активное и емкостное сопротивления реостатно-емкостной цепи, и равна постоянной времени акустической задержки =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 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 _э, равная акустической задержке , 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 _э=RC, где R и C - соответственно активное и емкостное сопротивления электрической цепи, равна постоянной времени акустической задержки =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 =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 , а длина камеры l меньше /4 (где - 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 частиц воздуха в камере будет иметь вид

Из общего решения для с учетом падающих и отраженных волн

=Aexp[j (t-x/c)]+Bexp[j (t+x/c)]

получим выражение для избыточного давления

и колебательной скорости

где A и B - некоторые постоянные.

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

где и _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, , 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)=-j _mexp(jkl) c, _m(0)=-j _mexp(jkl)

и, как следствие, для входного сопротивления воздуха в камере

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 _m(l), есть

Комплексное содержание показывает обмен энергиями реактивного характера между ЭД с их диссипацией активной составляющей с, как на частотах резонанса воздуха в камере f_p.n =(2n+1)/4l, так и на частотах антирезонанса f _.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 N_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).