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大型泵站低噪聲電動機設計分析及噪聲測算

文檔作者：潘志軍１彭偉林２方芳３胡晶４文檔來源：１．杭州市南排工程建設管理處２．中國電建集團華東勘測設計研究院０１４；３．浙江江能建設有限公司４．杭州市林業水利局信息中心		點擊數：	更新時間： 2025年08月30日
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第２９ 卷 第５ 期
２０１７ 年１０ 月
浙江水利水電學院學報
Ｊ．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖ ｏｆ Ｗａｔ．Ｒｅｓ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗ． ＶｏＯｌ．ｃ２ｔ９． ２０１Ｎ７ｏ．５ ＤＯＩ： １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－７０９２．２０１７．０５．０１７
大型泵站低噪聲電動機設計分析及噪聲測算
潘志軍１，彭偉林２ ，方 芳３ ，胡 晶４
（１．杭州市南排工程建設管理處，浙江杭州 ３１００２０；２．中國電建集團華東勘測設計研究院，浙江杭州３１００１４；
３．浙江江能建設有限公司，浙江杭州 ３１０００２；４．杭州市林業水利局信息中心，浙江杭州 ３１００１４）
摘 要：杭州三堡排澇泵站因地處錢江新城核心區域，對泵站排水運行時的噪聲提出了嚴格的控制指標．通過綜合
考慮噪聲源、傳播途徑、接受者防護等因素，并對泵站運行時最大噪聲源電動機的降噪措施分析，從電動機噪聲形
成機理著手，利用計算機有限元建模對電磁過程進行數值仿真計算，驗證電動機制造設計預估噪聲值符合控制指
標．經電動機噪聲實測值證明，電磁過程仿真計算有效、準確，可在電機制造設計中應用．
關鍵詞：泵站；電動機；噪聲；設計
中圖分類號：ＴＶ７３４ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１００８ －５３６Ｘ（２０１７）０５－００７０－０６
Design Analysis and Noise Calculation of Low－noise Motor in Large Pump Station
ＰＡＮ Ｚｈｉ－ｊｕｎ１ ， ＰＥＮＧ Ｗｅｉ－ｌｉｎ２ ， ＦＡＮＧ Ｆａｎｇ３ ， ＨＵ Ｊｉｎｇ４
（１．Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｎａｎｐａｉ Ｐｒｏｊｅｃｔ ， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２０， Ｃｈｉｎａ； ２．ＰｏｗｅｒＣｈｉｎａＨｕａｄｏｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｊｉａｎｇｎｅｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１０００２，
Ｃｈｉｎａ； ４．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｂｕｒｅａｕ ， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４， Ｃｈｉｎａ）
Abstract：Ｓａｎｂａｏ Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｐｕｍｐ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈａｎｇｚｈｏｕ ｉｓ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ａｒｅａ ｏｆ Ｑｉａｎｊｉａｎｇ Ｎｅｗ Ｔｏｗｎ ｗｉｔｈ ｓｔｒｉｃｔ ｎｏｉｓｅ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｐｕｍｐ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅｓ ， ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒｏｕｔｅｓ， ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ
ｏｔｈｅｒ ｎｏｉｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｎｏｉｓｅ
ｓｏｕｒｃｅ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｐｕｍｐ ｓｔａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｎｏｉｓｅ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ．Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ
ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ （ＦＥＭ）， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｎｏｉｓｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｇｒｅｅｓ
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｎｏｉｓｅ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｍ －
ｕｌａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｍｏｔｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ．
Key words：ｐｕｍｐ ｓｔａｔｉｏｎ； ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｔｏｒ； ｎｏｉｓｅ； ｄｅｓｉｇｎ
收稿日期：２０１７－０４－１２
基金項目：浙江省水利科技重大專項資助項目（ＲＢ１６１３）
作者簡介：潘志軍（１９７６ －），男，浙江慈溪人，高級工程師，從事
水利工程設計研究和建設管理工作．
泵站建設在城市核心區，泵站運行時噪聲必須
控制在批準噪聲指標以下．目前國內已建成的水泵
機組斜軸布置的大型泵站中，治理噪聲可借鑒的經
驗較少，泵站前期建設階段從噪聲源和噪聲傳播途
徑兩個方面提出并優化噪聲控制的針對性綜合措
施［１ －２］ ，控制噪聲源方法是降低噪聲的最有效、高性
價比的方法［３ －４］ ．經過對浙江省同類型的鹽官泵站
運行噪聲現場測試，甄別噪聲源頭，研究設計降低
大型同步電動機運行噪聲的方案，最大限度地降低
泵站運行噪聲對周圍環境的影響．
杭州三堡排澇泵站主廠房內主機層和裝配場
相連，長６９．４４ ｍ，總體寬度為５１．５ ｍ．設計水泵４
臺，總排澇流量２００ ｍ３ ／ｓ，規模位列全國大型泵站
前列．選配Ｔ３３００ －８／１７３０ 型同步電動機，額定轉速
７５０ ｒ／ｍｉｎ，電動機功率３ ３００ ｋＷ．水泵為３５６０ＺＸＱ５０ －
４．０５ 型軸流泵，額定轉速１１５．４ ｒ／ｍｉｎ，斜３０°安
裝，兩級圓柱齒輪箱減速器高速軸與同步電機相
連，低速軸與水泵相連．泵站內４ 臺機組斜式一字
布置，機組運行時噪聲疊加，情況復雜，多臺水泵
萬方數據
同時運行會產生嚴重的噪聲，對周邊環境產生噪
聲污染．
1 電動機噪聲控制指標和降噪設計
分析
前期同類型泵站兩臺機組同時運行噪聲經過
實測表明廠房內電動機最大聲源強度超過９０ ｄＢ
（Ａ），推算４ 臺水泵同時運行噪聲增幅為２ ～５ ｄＢ
（Ａ）［５］ ．監測結果反映出該泵站噪聲已大于泵站設
計規范與相關標準的要求，且電動機邊測得噪聲最
大，實驗測試數據（見表１）．泵站建設環評批復中要
求執行《聲環境質量標準》（ＧＢ３０９６—２００８）［６］ ，運
行期執行標準（見表２）．同步電動機運行時噪聲主
要為機械轉動噪聲、空氣動力噪聲和定子電磁噪聲
等，互相影響且疊加．同步電機運行時空氣動力噪
聲限制采取優化定子內部風路結構設計、定子冷卻
由風冷改為空水冷冷卻方式、定子內壁增加吸聲材
料設計方法降低噪聲．機械轉動噪聲限制采用低磨
損的高性能滾珠軸承和降低電機轉速方案．降低轉
速設計由初選轉子６ 極同步電機改為轉子８ 極同步
電機，轉速則由１ ０００ ｒ／ｍｉｎ 降低到７５０ ｒ／ｍｉｎ，轉子
８ 極同步電機空載運行時與同容量轉子６ 極同步電
機相比，經相關資料和規范查得，運行時噪聲可以
降低２ ～３ ｄＢ（Ａ）［７］ ．在上述兩方面降噪措施設計
基礎上，重點研究電磁噪聲的治理方案，經綜合比
選，確定泵站同步電動機型號Ｔ３３００ ８／１７３０ 和制
造設計關鍵技術參數．電動機額定電壓１０ ｋＶ，頻率
５０ Ｈｚ，額定轉速７５０ ｒ／ｍｉｎ．定子３ 相繞組，Ｙ 型接
法，定子槽數１２０，雙層繞組，并聯支路數為４．鐵芯
長度為８６０ ｍｍ，氣隙長度為１２ ｍｍ，定子外徑為１
５００ ｍｍ，定子內徑為１ １２０ ｍｍ，轉子４ 對極對數，轉
子外徑為１ ０９６ ｍｍ．低噪聲同步電機研究設計方案
力爭把電機空載運行噪聲控制在８５ ｄＢ（Ａ），比規
范規定噪聲值約低３ ｄＢ（Ａ）．
表１ 同類型泵站３＃、４＃兩臺機組同時運行時各監測點噪聲聲級單位：ｄＢ（Ａ）
測點位置１＃和２＃機組中間隔墩２＃和３＃ 機組中間隔墩３＃和４＃ 機組中間隔墩４＃機機組邊
電動機邊 ８８．０ ９０．５ ８９．８ ９５．６ 齒輪箱邊 ８７．８ ８９．７ ８９．１ ９５．４ 水泵邊 ８５．６ ８７．４ ８６．８ ９１．７ 表２ 泵站運行期廠界噪聲執行標準單位：ｄＢ（Ａ）
類別夜間晝間適用范圍
４ ５５ ７０ 北廠界（鳳起東路建成后）、東廠界 ２ ５０ ６０ 北廠界（鳳起東路建成前）、西廠界和南廠界 2 泵站同步電機電磁過程仿真分析
電動機電磁噪聲主要是電機通電后電磁場產
生的電磁力引起電機結構部件的振動，從而使電機
定子內空氣粒子形成疏密聲波，其大小取決于電磁
力大小、電機結構件振動特性和電機本身輻射特
性，降低電機電磁噪聲主要從這三方面考慮［８ －１１］ ．
根據選定的泵站同步電動機制造設計技術參數，利
用ＡＮＳＹＳ 有限元軟件進行電機機構振動特性、電磁
過程數值仿真，模擬電磁噪聲產生過程并計算出電
磁力波幅值，驗證電動機制造設計預估的噪聲值符
合指標．
2．1 定子鐵心（有繞組）模態的仿真計算
定子鐵心的網格（見圖１）， 圖中沒有考慮定子
繞組．定子鐵芯模態計算時考慮繞組帶來的影響，
鐵芯自由振動時模態的計算結果（見圖２），徑向電
磁力諧波計算出０ 階和８ 階，下面僅給出０ 階和８
階的模態．
圖１ 定子鐵芯網格圖
第５ 期 潘志軍等：大型泵站低噪聲電動機設計分析及噪聲測算 ７１
萬方數據
圖２ 定子鐵芯模態振型圖
2．2 磁通密度及其諧波的仿真分析
旋轉磁場諧波理論廣泛地應用于電機磁場分
析，可將時空變化的氣隙徑向磁通密度利用無窮多
個正轉或者反轉的徑向磁通密度波來線性疊加．利
用場路耦合時步有限元數學模型可計算出每一個
時刻的節點矢量磁位，由氣隙中節點矢量磁位可求
出氣隙磁通密度．
Br （θ，t） ＝ Σ∞
m ＝－∞Σ∞
n ＝０
Br，mn ｃｏｓ（ωB，n t －mθ ＋θr，mn ）
（１）
式中：m，n—對應空間諧波和時間諧波的次數，
均為整數，m 的絕對值表示諧波的極對數，m 為正整
數時表示正轉波，m 為負整數時表示反轉波；
θ— 空間圓周方向上的機械角度，（°）；
７２ 浙江水利水電學院學報 第２９ 卷
萬方數據
t— 時間，ｓ；Br，mn— 幅值，Ｔ；
ωB，n— 時間角頻率，ｒａｄ，ωB，n ＝２πfB，n ；
θr，mn— 初始角度，（°）；fB，n— 頻率，Ｈｚ；
r— 徑向分量．
同步電動機空載穩態運行時，通過軟件計算得
到切向磁通密度空間分布結果（見圖３）．徑向磁通
密度空間分布結果（見圖４），從分析可以得出電磁
力必會引起定子振動而產生電磁噪聲，在磁通密度
大的地方電磁力也大，且以徑向為主，產生的噪聲
也相應增大．同步電動機負載運行時磁通密度波的
計算方法類似，不再贅述．
圖３ 切向磁通密度空間分布圖 圖４ 徑向磁通密度空間分布圖
2．3 磁力密度及其諧波的仿真分析
基于Ｍａｘｗｅｌｌ 應力張量理論，用等效磁張力方
法（面積力） 代替體積力方法求出單位面積上的電
磁力，它的徑向分量公式為：
σr ≈ B２r
－B２t
２μ０ （２）
式中：σr— 徑向電磁力，Ｐａ；
Bt— 周向磁通密度，Ｔ；
Br— 徑向磁通密度，Ｔ；
μ０ — 面積，ｍ２．
同磁通密度波一樣，徑向電磁力波也為行波，
因此旋轉諧波理論亦適用于電磁力波的分析，可將
時空變化的徑向電磁力分解為無窮多個正轉或者
反轉的徑向電磁力波，徑向電磁力為這些力波的線
性疊加，即
σr （θ，t） ＝ Σ∞
m ＝－∞Σ∞
n ＝０ σr，mn ｃｏｓ（ωσ，n t －mθ ＋θr，mn ）
（３）
式中：m，n—對應空間諧波和時間諧波的次數，
均為整數，m 的絕對值表示空間階次，m 為正時表示
正轉波，為負時表示反轉波；
θ— 空間圓周方向上的機械角度，（°）；
t— 時間，ｓ；θr，mn— 初始角度，（°）；
σr，mn— 幅值，Ｐａ；r— 徑向分量；
ωσ，n— 時間角頻率，ｒａｄ，ωσ，n ＝２πfσ，n ，fσ，n—頻
率，Ｈｚ．
同步電動機空載穩態運行時，通過軟件計算得
到切向電磁力密空間分布結果（見圖５），徑向電磁
力密空間分布結果（見圖６）．從分析可以得出磁通
密度與電磁力之間存在的對應關系，磁力大的地方
圖５ 切向磁力密度空間分布圖 圖６ 徑向磁力密度空間分布圖
第５ 期 潘志軍等：大型泵站低噪聲電動機設計分析及噪聲測算 ７３
萬方數據
表３ 主要的切向電磁力密諧波
序號極對數頻率／Ｈｚ 幅值／Ｐａ 相角／ｒａｄ 轉向
１ ８ １００ ４ ２４８ －２．１７５ ７６ ＋ ２ ８ ２００ ２１９ －１．９２５ ２９ － ３ ８ １ ６００ １９３ ３．１２４ ４６ ＋ ４ ０ １ ５００ １６５ ０ ５ ８ １ ４００ ８８ １．９６１ ４５ － ６ ０ ３００ ８２ －３．１４１ ５９ ７ ８ ４００ ６０ ０．６８４ ２２ ＋ 表４ 主要的徑向電磁力密諧波
序號極對數頻率／Ｈｚ 幅值／Ｐａ 相角／ｒａｄ 轉向
１ ０ ０ １４９ ６１２ ０ ２ ８ １００ １２６ ０５０ ２．５４１ ９６ ＋ ３ ８ １ ６００ ２３９ －１．５８３ １２ ＋ ４ ８ １ ４００ ２２７ ０．４２２ ５１ － ５ ８ ２００ ２２４ －０．２６２ ７３ － ６ ０ １ ５００ ９９ －３．１４１ ５９ ７ ０ ３６０ ８８ ０ 的力波相應增大．軟件計算得出的主要切向電磁力
諧波（見表３），徑向電磁力諧波（見表４），表３ 和表
４ 中電磁力諧波按幅值大小排序列出，轉向列中，正
號表示正轉波，負號表示反轉波，P 為極對數，Q 為
定子槽數．通過分析看出低階次電磁力波幅值均在
３００ Ｐａ 以下，電磁力波幅值很小，不會產生明顯的
電磁噪聲，Ｔ３３００ －８／１７３０ 型同步電動機電磁噪聲
能滿足預設控制指標．
2．4 采用場路耦合時步有限元對該同步電動機進
行空載運行仿真計算
初始設定轉子轉速為７４０ ｒ／ｍｉｎ，勵磁繞組支路
中串入２ Ω的起動電阻，且此時不施加直流電壓，
在０．１ ｓ 去掉起動電阻并同時在勵磁繞組中加直流
電壓，電壓值控制在２９ ～３０ Ｖ．仿真過程中采用了
變步長計算， 在５ ｓ 左右轉子遷入同步轉速
７５０ ｒ／ｍｉｎ．
轉子轉速（見圖７），轉子電磁轉矩（見圖８），定
子三相線電流（見圖９），轉子勵磁電流（見圖１０）．
同步電機空載運行時示波器測試的空載穩態電流、
勵磁電流與仿真結果基本一致．
圖７ 轉子轉速隨時間的變化圖
圖８ 轉子電磁轉矩隨時間的變化
圖９ 定子三相線電流
圖１０ 轉子勵磁電流
７４ 浙江水利水電學院學報 第２９ 卷
萬方數據
3 泵站同步電機負載運行時噪聲測
試結果
根據確定的同步電機設計方案進行工廠制造，
電動機在工廠制造過程中嚴格執行工藝標準，派駐
廠監理進行制造過程質量控制，確保設計先進，制
造品質一流．經過半年工廠制造，在出廠驗收時電
動機空載運行噪聲指標比同類型電動機約低５ ｄＢ
（Ａ），在泵站機組啟動運行中在同類型泵站的相對
應測點位置噪聲值約低６ ～７ ｄＢ（Ａ）［１２］ ，１ 臺機組
運行測試數據（見表５）．
表５ 三堡泵站１＃、２＃機組同時運行時各監測點噪聲聲級
單位：ｄＢ（Ａ）
測點位置１＃機機組２＃機機組３＃機機組４＃機機組
空載時電動機邊 ７９．７ ７８．６ ７９．５ ７７．８ 負載時電動機邊 ８８．６ ８７．０ ８８．５ ８７．２ 負載時水泵邊 ８４．９ ８６．４ ８６．７ ８５．７ 4 結 論
通過對泵站噪聲源的甄別，研究泵站最大噪聲源
同步電動機的噪聲治理設計方案，提出同步電動機運
行時葉片空氣動力噪聲、機械轉動噪聲設計降噪方案
后，重點研究電磁噪聲的治理方案．選定電動機制造
設計技術參數方案后，利用有限元建模數值仿真計算
得出電機機構振動特性以及仿真電磁過程得出的電
磁力波引起的振動幅值來預估噪聲幅值特性．實踐證
明，這種方法是可行的，可以為其他低噪聲同步電動
機的制造設計研發提供思路，為建設同類型環境友好
型大型泵站工程提供參考和借鑒．
參考文獻：
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［Ｒ］．杭州：浙江省河口研究院，２０１５．
（上接第６３ 頁）
抗壓強度較未添加該外加劑的抗壓強度有所提高，
劈裂抗拉強度、軸拉強度略有降低，滲水高度略有
降低．由于未添加防滲自愈劑的變態混凝土本身抗
滲效果能滿足設計抗滲等級要求，因此添加防滲自
愈劑提高抗滲效果不明顯，抗凍性能略有提高．
5 結 語
根據奮斗水庫實際工程條件，通過中國水科院
的研究，引進防滲自愈劑摻入防滲層，變態混凝土
和大壩混凝土層間結合砂漿，投入筑壩施工建設工
程中后，改善了變態混凝土的和易性，混凝土的凝
結時間稍有縮短，力學性能與不摻相比基本相當，
但耐久性能得到提高，特別是抗滲性能提高明顯，
且對變態混凝土產生的裂縫具有愈合作用，可以在
防滲抗裂混凝土中推廣應用．防滲自愈劑的應用是
新型材料在碾壓混凝土筑壩應用技術中的一個新
臺階，可為其他類似工程提供參考．
參考文獻：
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試驗規程［Ｓ］．北京：中國電力企業聯合會，２０１４．
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