HLUK ELEKTRICKÝCH STROJŮ TOČIVÝCH

Autor : RNDr. B. Madejewski, CSc.

Článek je v plném znění  uveden v přiloženém souboru typu PDF – ke stažení ZDE.
Tyto formáty PDF jsou čitelné ve volně dostupném  programu Adobe Acrobat Reader.

1. ÚVOD

Elektrické točivé stroje jsou v současnosti nejpoužívanější pohonnou jednotkou strojních zařízení v průmyslu, dopravě, stavebnictví i zemědělství. Kromě toho se běžně užívají i v nevýrobních sférách - v domácnosti, školách, úřadech.
Nejrůznější použití těchto strojů je dáno jejich technickými parametry, z nichž rozhodující je především typ stroje ( tj. asynchronní, synchronní, stejnosměrný ), dále jejich výkon, otáčky i způsob chlazení.      K parazitním jevům v těchto strojích patří mimo jiné právě jejich hluk. V celém širokém sortimentu vyráběných elektrických točivých strojů je nutno hledat společné zdroje a příčiny jejich nadměrného hluku, abychom byli schopni komplexně řešit otázky jeho snižování.

2. HLUK ELEKTRICKÉHO STROJE

Z analýzy hluku točivého elektrického stroje vyplývá, že jeho celkový hluk je tvořen superpozicí tří základních složek, jimiž jsou:
- hluk elektromagnetického původu
- hluk ventilačního původu
- hluk mechanického původu

Hluk elektromagnetického původu je nejtypičtější složkou hluku elektrického stroje. Jeho příčinou je kmitání kostry, případně jiných částí stroje, způsobené elektromagnetickými silami. Frekvenční spektrum hluku elektromagnetického původu je diskrétního charakteru a zároveň se v mnohých případech vyskytuje značně výrazná směrová charakteristika vyzařování této složky.
Zjišťování existence této složky v celkovém hluku elektrického stroje se často jednoduše provádí tak, že po vypnutí stroje od sítě je sledován pokles akustického signálu v čase. Je-li tento pokles          okamžitý, jedná se zcela evidentně o složku hluku elektromagnetického původu. Jiný způsob vyšetřování elektromagnetického hluku je měření frekvenčního spektra pro různé hodnoty napájecího napětí - případně i kmitočtu.

Hluk ventilačního původu je rozhodující především u strojů s vysokým počtem otáček. Podrobná analýza ventilačního hluku ukazuje, že hlavním zdrojem je v tomto případě samotný ventilátor se svým nejbližším okolím. Právě ten převyšuje rozhodujícím způsobem ostatní zdroje hluku ventilačního původu, jimiž mohou být například rotorová  křidélka, radiální případně axiální chladicí kanály ve stroji, vstupní a výstupní kryty a pod.
Frekvenční analýza hluku ventilačního původu ukazuje, že spektrum má buď charakter širokopásmový nebo naopak diskrétní. V prvním případě jde o aerodynamický hluk, který vzniká turbulentním prouděním vzduchu v lopatkových kanálech a v blízkosti vstupní, ale hlavně výstupní hrany lopatek. Tyto pulsace jsou nerovnoměrné jak v prostorovém, tak v časovém uspořádání, takže vyzařované frekvenční spektrum aerodynamického hluku je širokopásmové a obsahuje složky celého slyšitelného pásma.

Naproti tomu diskrétní charakter spektra, mluvíme někdy o sirénovém jevu, muže vzniknout tehdy, jsou-li před ventilátorem nebo za ním překážky, např. ve formě rozváděcích lopatek, žaluzií a p. Díky těmto překážkám není rychlostní profil vzdušného toku rovnoměrný po celém obvodu kola, což vede k periodickým pulsacím tlaku; ty potom způsobují hluk sirénového charakteru.

Hluk mechanického původu je působen především valivými ložisky a dále nevývahou všech rotujících částí stroje. Valivá ložiska mohou vytvářet řadu frekvenčních složek, které mají svůj původ především v nerovnosti valivých částí i samotných drah na kroužcích ložiska. V zásadě lze říci, že hluk mechanického původu má smíšený charakter.

2.1. Hluk elektromagnetického původu

Princip hluku resp. kmitání elektromagnetického původu u elektrického stroje lze vysvětlit následujícím způsobem. Působením magnetické indukce ve vzduchové mezeře vznikají tahové magnetické síly, které mohou mít různý směr, amplitudu a frekvenci a které jsou rozloženy na povrchu statoru a rotoru. Jejich charakteristika závisí na geometrii vzduchové mezery, na velikosti sycení a řadě dalších faktorů.

Pro vlastní vznik hluku elektromagnetického původu je přijímán následující fyzikálně opodstatněný model, platný především pro asynchronní motory. V tomto modelu existuje pružná vazba mezi statorovým prstencem a kostrou stroje a dále mezi kostrou stroje a jeho základem. Tato vazba je pochopitelně odlišná od vazby prvního typu. Analýza tohoto mechanického modelu, složeného z výše popsaných částí, vede k výsledku, že každý řád kmitání elektromagnetického původu vybudí několik různých kmitočtů, z nichž jeden může být blízko vypočítané hodnoty vlastní frekvence. Přitom přesný výpočet vlastních kmitočtů celého stroje podle uvedeného modelu je velmi obtížný a bez použití počítače neproveditelný.

Základní požadavek na bezhlučný motor je ten, že nesmí nastat rezonance mezi kmitočty elektromagnetických budících sil s vlastním kmitočtem statorového prstence. Tyto podmínky není třeba respektovat pro vysoké řády kmitání - např. r = 6, neboť síly zde působí na příliš krátkém rameni a mají navíc i velmi nízkou amplitudu.

Vypracované metodiky výpočtu na základě takto přijatého modelu umožňují analyzovat různé varianty konstrukčního řešení s cílem vybrat tu nejvhodnější z hlediska hluku a kmitání. Přesnost používaných metod však není dostatečná. Způsobují to nejistoty ve výpočtu elektromagnetických sil vyšších řádů, nepřesný popis některých fyzikálních dějů v uvedeném modelu ale hlavně vliv tolerance technologických faktorů.

2.2. Hluk ventilačního původu

Ventilační hluk elektrického stroje lze rozdělit obecně na dvě části:
- první představuje hluk nezbytný, který je doprovodným jevem funkce každého strojního zařízení ,
- druhou je hluk nadměrný, který lze vhodnými úpravami snížit

Ventilační hluk je přitom rozhodující u strojů s vysokým počtem otáček. Vzrůst ventilačního hluku strojů se projevuje rovněž v závislosti se stále rostoucím využíváním aktivních materiálů ve stroji, což vyžaduje úměrně zvyšovat i množství potřebného chladicího vzduchu.

Hlavním zdrojem ventilačního hluku, jak již bylo uvedeno, je samotný ventilátor se svým nejbližším okolím. Často se však na ventilačním hluku podílí i další konstrukční části stroje.

Ve frekvenčním spektru ventilačního hluku lze rozlišit širokopásmový hluk působený turbulentním prouděním vzduchu v lopatkových kanálech ventilátoru a sirénové jevy, které jsou výhradně diskrétního charakteru a souvisí s nevhodným konstrukčním uspořádáním chladicího systému stroje.
Teoretické základy vysvětlující přeměnu části kinetické energie turbulentního proudu plynu na energii akustickou byly položeny na začátku šedesátých let. Vycházelo se přitom ze základních fyzikálních zákonů, z nichž pak byl odvozen principiální tvar vlnové rovnice platný pro vyzařování zvuku do neohraničeného prostoru.Tato vlnová rovnice obsahuje na své pravé straně tvar zdrojové funkce, odpovídající vyzařování akustického čtyřpólu.

V případě, že uvažovaná turbulentní oblast plynu se dotýká pevné hranice ( a tou je např. lopatka ventilátoru), byl potom na základě zjednodušujících předpokladů odvozen vztah právě pro tento  typ vyzařování. Zjednodušujícími předpoklady rozumíme dostatečně tuhou hraniční plochu, dostatečnou vzdálenost pozorovatele od uvažované turbulentní oblasti plynu a zároveň, že tato vzdálenost je nesrovnatelně větší než kterýkoliv z rozměrů turbulentní oblasti plynu.

Za těchto podmínek dochází ke dvojímu typu vyzařování. Prvním typem je již dříve uvedené vyzařování objemově rozdělenými akustickými čtyřpóly a druhým typem je vyzařování akustickými dipóly, působenými fluktuacemi tlaku na hraniční ploše.

Teorie vyzařování akustické energie ventilátoru je založena právě na dipólovém charakteru tohoto vyzařování. Obecný vztah pro akustický výkon je uváděn v tomto případě ve tvaru

P = σ/c3 U6 D22 f ( Re, Sh2, z, K )

kde P je akustický výkon, σ je hustota prostředí, c je rychlost šíření zvuku, U je rychlost turbulentního pohybu plynu, D2 je hlavní charakteristický rozměr ventilátoru a konečně f značí obecnou funkci řady parametrů; Re je Reynoldsovo číslo, Sh je Strouhalovo číslo, z je počet lopatek ventilátoru a parametr K vyjadřuje obecně geometrii ventilátoru.

Pro širokopásmový hluk ventilátorového uzlu elektrického stroje se uvádí výše prezentovaný vztah v mírně modifikované formě, postihující lépe charakteristické konstrukční řešení uzlu. Tento vztah pro hladinu zvuku LA ve vzdálenosti 1m od obrysu stroje má tvar   '

LA = 60 logU2 + 10 logD2b2 + Σ ki

kde U2 je vnější obvodová rychlost ventilátoru v ms-1, D2 je vnější průměr ventilátoru v m, b2 je šířka ventilátoru v m a konečně ki konstanty, zahrnující jednotlivé korekce; k1 je korekce na množství chladicího vzduchu, která pro Q=0.5Qmax činí k1=2,7 dB, korekce na geometrii konstrukce ventilátoru k2=10-24.7D2, k3 je korekce na úhel vstupu vzduchu do ventilátoru
( pro radiální ventilátor je k3=ldB) a konečně k4 je korekce na úhel výstupu a pro radiální lopatky je k4 rovno nule. Podle tohoto vztahu lze stanovit hodnotu širokopásmového ventilačního hluku elektrického stroje.

Příčinou vzniku a vyzařování sirénového zvuku je v podstatě nerovnoměrné rozdělení rychlosti proudění vzduchu za překážkou, o čemž rozhoduje konstrukční návrh. Velikost sirénových jevů a jejich frekvence pak závisí při dané rychlosti otáčení především na následujících faktorech:
- vzájemný poměr rotujících a stojících částí s přihlédnutím na symetrii jejich rozmístění po obvodu rotující části
- vzdálenost rotujících a stojících částí
- množství dopravovaného chladicího vzduchu

Při analýze prvního z uvedených faktorů vycházíme z uspořádání zdrojů hluku dipólového charakteru a to namísto jednotlivých lopatek ventilátoru i uvažovaných stacionárních překážek. Další důležitý předpoklad je ten, že jednotlivé akustické dipóly jsou navzájem koherentní zdroje zvuku. Počítáme-li potom akustický tlak v jistém bodě volného akustického pole, bude tento dán součtem jednotlivých dílčích akustických tlaků a to s ohledem na jejich vzájemný fázový posun.
V případě poměru stojících a rotujících dipólů vyplývají potom dva extrémní případy. V prvním odvozený výraz nabývá minimální hodnoty pro počet překážek rovný nule a nedochází tudíž k sirénovým jevům. Ve druhém případě nabývá výraz maximální hodnoty při rovnosti stojících a rotujících překážek.

Vliv vzdálenosti stojících a rotujících částí je z hlediska konstrukčního řešení nejdůležitějším faktorem. Rychlostní profil se mění se vzdáleností od rotující části, přičemž v těsné blízkosti jsou rozdíly rychlosti největší a klesají pak s rostoucí vzdáleností. Experimentální výsledky uváděné v literatuře říkají, že vzdálenost mezi stojící a rotující částí nemá být menší než je hodnota plynoucí z empirického vztahu

a = U2 / 30

kde U je obvodová rychlost rotující části v ms-1 a veličina označená a je doporučovaná vzdálenost v mm. Jiná kriteria uvádí, že vzdálenost mezi stojící a rotující částí má být nejméně 10 až 15 procent průměru rotující části. Dále je třeba zdůraznit, že v případě, že stojící část nemůže být z konstrukčních důvodů dále od rotující části než uvádí daná mez, měly by být tyto části alespoň dostatečně hladké a zaoblené.

Vliv dopravovaného množství chladicího vzduchu na velikost sirénových jevů souvisí se vzájemnou vazbou základních konstrukčních parametrů ventilačního systému, tj. především vnějšího průměru ventilátoru a vnější obvodové rychlosti s hodnotami dosahovaného průtočného množství chladicího vzduchu a tlaku vzduchu.Pro různé hodnoty těchto veličin lze pomocí bezrozměrného vyjádření provést přepočty příslušné vyzařované hodnoty hladiny hluku. Tato skutečnost byla ověřena měřením na modelovém zařízení radiálních chladicích kanálů.

2.3. Hluk mechanického původu

Příčinou hluku mechanického původu u elektrických strojů jsou především ložiska, resp. ložiskový uzel stroje, nevývaha rotujících částí a u stejnosměrných strojů hluk kartáčů.

Při provozu valivého ložiska vedou jednotlivé lokální vady valivých drah či valivých tělísek, popř. nečistoty maziva k buzení periodických posloupností silových impulzů, které mohou být navíc amplitudově modulovány. V kmitočtové oblasti se takové kombinace jeví jako diskretní spektrum, v němž se kolem základních kmitočtů vytvářejí skupiny kmitočtů postranních pásem.

Ve stroji se může ložisko se zvýšeným kmitáním stát zdrojem sil budicích okolní struktury. Konstrukční díly sousedící s ložiskem, zvláště ložiskové štíty, se pak mnohdy stávají zdrojem silné sekundární emise zvuku. Tento jev může být obzvláště pronikavý v případech, kdy se vlastní kmitočty ložiskových štítů blíží kmitočtovým pásmům, na nichž ložiska vyzařují maximum své kmitavé energie.

Znalost modelu signálu a kmitavých vlastností ložiska a ložiskového štítu umožňuje usuzovat na možné příčiny zvýšeného kmitání a následného vyzařování hluku elektrického stroje. I v ideálním ložisku, jehož jednotlivé prvky nemají žádné odchylky od přesných tvarů, vznikají budicí síly kmitání. U radiálně zatíženého ložiska pak vzniká periodický kmitavý pohyb kolem otáčející se osy vlivem průchodu soustavy valivých tělísek. Další příčinou buzení zvuku spočívá ve třecích dějích mezi zatíženými valivými tělísky a oběžnými hranami. Ke vzniku přispívají rázové a třecí děje mezi klecí a valivými tělísky.
Děje tohoto druhu mají převážně náhodný charakter a vedou ke kmitočtově nezávislému buzení zvuku, majícímu širokopásmový charakter.

V reálném ložisku přistupuji k budicím mechanickým příčinám ideálního ložiska další příčiny zvuku. Hlavními jsou odchylky tvaru    jednotlivých ložiskových dílů od ideální konstrukční geometrie. Vlivem současné vysoké úrovně seriové výroby jsou tyto odchylky udržovány v úzkých tolerancích. Velký vliv na vyzařovaný hluk má rovněž řádná montáž použitého ložiska.

Za nejdůležitější faktory ovlivňující hluk ložiska  v elektrickém stroji lze považovat:
- řádný výběr ložiska daného typu (při seriovém použití se doporučuje provádět statistickou přejímku),
- samotná výroba ložiska a jeho následná montáž,
- hladkost povrchu vnějšího a vnitřního kroužku, řádná geometrie kuliček ložiska,
- řádné mazání ložiska.

Nevývaha rotujících částí stroje je bezpodmínečnou podmínkou jeho řádné funkce. Je nutno kontrolovat velikost kmitání motoru, které znamená nepřímo i dostatečně nízkou hladinu zvuku mechanického původu.

Za hluk mechanického původu považujeme i hluk kartáčů. Ten je určován celou řadou dílčích faktorů, z nichž nejdůležitější jsou následující:
- konstrukce a pevnost držáku kartáčů,
- tlak na kartáč,
- materiál kartáče a komutátoru,
- tvarová tolerance komutátoru,
- čistota kontaktu mezi kartáčem a komutátorem, - proudové zatížení kartáče,
- povrchová teplota komutátoru,
- případné deformace na povrchu komutátoru.

3. SNIŽOVÁNÍ HLUKU ELEKTRICKÝCH STROJŮ

V technické praxi rozeznáváme dva základní způsoby snižování hluku strojních zařízení:
- primární způsob, tj. snižování hluku přímo v jeho zdroji ve stroji        samotném,       ­
- sekundární     způsob, tj. pohlcování  již vyzářené akustické energie a její přeměna v jiný druh energie,

První způsob je pochopitelně efektivnější, řeší samotnou podstatu problému. Při jeho aplikování nutno zvažovat, z jakých dílčích složek se skládá celkový hluk strojního zařízení a snížení které z těchto složek bude představovat výrazné snížení jeho celkového hluku. V případě elektrického točivého stroje jsou tyto dílčí složky hluku tři, jak bylo již dříve uvedeno. Základní principy, které je nutno dodržovat při potlačování či úplném odstranění jednotlivých složek hluku, jsou následující:

3.1. Elektromagnetická složka hluku

- řád elektromagnetické silové vlny stroje, závisející na poměru počtu drážek rotoru a statoru, je nutno volit pokud možno co nejvyšší,
- frekvence silových magnetických vln všech řádů musí být dostatečně odlišné od vlastních frekvencí kmitání, zvláště statorového svazku a kostry,
- volit doporučovaný poměr statorových a rotorových drážek,
- volit minimální indukci ve vzduchové mezeře,
- volit maximální vzduchovou mezeru,
- podle možnosti používat magnetické klíny,
- minimalizovat excentricitu vzduchové mezery,
- používat maximální počet drážek na pól a fázi,
- používat dvojvrstvé vinutí,
- používat zešikmení drážky o jednu drážkovou rozteč,
- používat dostatečně tuhou konstrukci motoru té části, která je vystavena vlivu elektromagnetických sil,
- pro stejnosměrné motory používat zkosení pólového nástavce,
- používat nerovnoměrnou vzduchovou mezeru pod póly,
- dbát na symetrii vzduchové mezery a celého magnetického obvodu.

3.2. Ventilační složka hluku

- použit minimálního potřebného množství chladicího vzduchu pro ventilaci stroje( vyhnout se předimenzování ventilačního systému).
- vyhýbat se vzniku sirénových jevů dodržováním doporučených
hodnot pro vzdálenost mezi stojící a rotující částí,
- volit optimální počet lopatek ventilátoru,
- zabránit rezonančním jevům krytu ventilátoru,

3.3. Mechanická složka hluku

- volit rozměr ložiska takový, aby byl minimální vzhledem ke kladeným požadavkům.
- za stejných podmínek jsou válečková ložiska hlučnější než kuličková.
- třída přesnosti ložiska se projevuje především na nízkých      frekvencích,
- volit radiální mezeru ložiskového štítu tak, aby se minimálně uplatnil negativní vliv teploty a zatížení,
- dodržovat geometrii a tolerance dílců ložiskového uzlu,
- použít axiální pružinu pro montáž ložiska,
- aplikovat správné mazání ložiska,
- montáž ložiska provádět předepsaným technologickým postupem.

Druhý způsob snižování hluku je přeměna zvukové energie na jiný druh energie, nejčastěji na energii tepelnou. Dochází k tomu trojím způsobem:
- třením vzduchových částic při proudění póry pohltivého materiálu.
- snížením potenciální energie zvukové vlny (výměna tepla mezi vzduchem a pohltivým materiálem),
- nepružnou deformací tělesa.

Tlumiče hluku ventilačního původu jsou nejrůznějších provedení hlavně podle toho, jaké jsou kladeny požadavky na jejich vložný útlum. Často se u nich uplatňuje stavebnicová konstrukce.

4. POUŽITÁ LITERATURA

[1]       Hamata V.:      Hluk elektrických strojů, Academia 1987
[2]       Šubov I.G.:      Šum a vibraceelektrických strojů, Enerqoatomizdat, Leningrad 1986
[3]       Judin K.J.:        Boj s hlukem v průmyslu, Spravočnik, Moskva Mašinostrojenie 1985
[4J       Yang S.J.:        Law-noise electrical motors, Clarendon Press-Oxford, 1981   ­
[5]       Timár P.L.:       Holss and vibration of electrlcal machines, Akademiai Klado, Budapest 1989