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大型泵站低噪声电动机设计分析及噪声测算

文档作者：潘志军１彭伟林２方芳３胡晶４文档来源：１．杭州市南排工程建设管理处２．中国电建集团华东勘测设计研究院０１４；３．浙江江能建设有限公司４．杭州市林业水利局信息中心		点击数：	更新时间： 2025年08月30日
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上一篇：发电机短路干燥技术探讨

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第２９ 卷 第５ 期
２０１７ 年１０ 月
浙江水利水电学院学报
Ｊ．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖ ｏｆ Ｗａｔ．Ｒｅｓ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗ． ＶｏＯｌ．ｃ２ｔ９． ２０１Ｎ７ｏ．５ ＤＯＩ： １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－７０９２．２０１７．０５．０１７
大型泵站低噪声电动机设计分析及噪声测算
潘志军１，彭伟林２ ，方 芳３ ，胡 晶４
（１．杭州市南排工程建设管理处，浙江杭州 ３１００２０；２．中国电建集团华东勘测设计研究院，浙江杭州３１００１４；
３．浙江江能建设有限公司，浙江杭州 ３１０００２；４．杭州市林业水利局信息中心，浙江杭州 ３１００１４）
摘 要：杭州三堡排涝泵站因地处钱江新城核心区域，对泵站排水运行时的噪声提出了严格的控制指标．通过综合
考虑噪声源、传播途径、接受者防护等因素，并对泵站运行时最大噪声源电动机的降噪措施分析，从电动机噪声形
成机理着手，利用计算机有限元建模对电磁过程进行数值仿真计算，验证电动机制造设计预估噪声值符合控制指
标．经电动机噪声实测值证明，电磁过程仿真计算有效、准确，可在电机制造设计中应用．
关键词：泵站；电动机；噪声；设计
中图分类号：ＴＶ７３４ 文献标志码：Ａ 文章编号：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
基金项目：浙江省水利科技重大专项资助项目（ＲＢ１６１３）
作者简介：潘志军（１９７６ －），男，浙江慈溪人，高级工程师，从事
水利工程设计研究和建设管理工作．
泵站建设在城市核心区，泵站运行时噪声必须
控制在批准噪声指标以下．目前国内已建成的水泵
机组斜轴布置的大型泵站中，治理噪声可借鉴的经
验较少，泵站前期建设阶段从噪声源和噪声传播途
径两个方面提出并优化噪声控制的针对性综合措
施［１ －２］ ，控制噪声源方法是降低噪声的最有效、高性
价比的方法［３ －４］ ．经过对浙江省同类型的盐官泵站
运行噪声现场测试，甄别噪声源头，研究设计降低
大型同步电动机运行噪声的方案，最大限度地降低
泵站运行噪声对周围环境的影响．
杭州三堡排涝泵站主厂房内主机层和装配场
相连，长６９．４４ ｍ，总体宽度为５１．５ ｍ．设计水泵４
台，总排涝流量２００ ｍ３ ／ｓ，规模位列全国大型泵站
前列．选配Ｔ３３００ －８／１７３０ 型同步电动机，额定转速
７５０ ｒ／ｍｉｎ，电动机功率３ ３００ ｋＷ．水泵为３５６０ＺＸＱ５０ －
４．０５ 型轴流泵，额定转速１１５．４ ｒ／ｍｉｎ，斜３０°安
装，两级圆柱齿轮箱减速器高速轴与同步电机相
连，低速轴与水泵相连．泵站内４ 台机组斜式一字
布置，机组运行时噪声叠加，情况复杂，多台水泵
万方数据
同时运行会产生严重的噪声，对周边环境产生噪
声污染．
1 电动机噪声控制指标和降噪设计
分析
前期同类型泵站两台机组同时运行噪声经过
实测表明厂房内电动机最大声源强度超过９０ ｄＢ
（Ａ），推算４ 台水泵同时运行噪声增幅为２ ～５ ｄＢ
（Ａ）［５］ ．监测结果反映出该泵站噪声已大于泵站设
计规范与相关标准的要求，且电动机边测得噪声最
大，实验测试数据（见表１）．泵站建设环评批复中要
求执行《声环境质量标准》（ＧＢ３０９６—２００８）［６］ ，运
行期执行标准（见表２）．同步电动机运行时噪声主
要为机械转动噪声、空气动力噪声和定子电磁噪声
等，互相影响且叠加．同步电机运行时空气动力噪
声限制采取优化定子内部风路结构设计、定子冷却
由风冷改为空水冷冷却方式、定子内壁增加吸声材
料设计方法降低噪声．机械转动噪声限制采用低磨
损的高性能滚珠轴承和降低电机转速方案．降低转
速设计由初选转子６ 极同步电机改为转子８ 极同步
电机，转速则由１ ０００ ｒ／ｍｉｎ 降低到７５０ ｒ／ｍｉｎ，转子
８ 极同步电机空载运行时与同容量转子６ 极同步电
机相比，经相关资料和规范查得，运行时噪声可以
降低２ ～３ ｄＢ（Ａ）［７］ ．在上述两方面降噪措施设计
基础上，重点研究电磁噪声的治理方案，经综合比
选，确定泵站同步电动机型号Ｔ３３００ ８／１７３０ 和制
造设计关键技术参数．电动机额定电压１０ ｋＶ，频率
５０ Ｈｚ，额定转速７５０ ｒ／ｍｉｎ．定子３ 相绕组，Ｙ 型接
法，定子槽数１２０，双层绕组，并联支路数为４．铁芯
长度为８６０ ｍｍ，气隙长度为１２ ｍｍ，定子外径为１
５００ ｍｍ，定子内径为１ １２０ ｍｍ，转子４ 对极对数，转
子外径为１ ０９６ ｍｍ．低噪声同步电机研究设计方案
力争把电机空载运行噪声控制在８５ ｄＢ（Ａ），比规
范规定噪声值约低３ ｄＢ（Ａ）．
表１ 同类型泵站３＃、４＃两台机组同时运行时各监测点噪声声级单位：ｄＢ（Ａ）
测点位置１＃和２＃机组中间隔墩２＃和３＃ 机组中间隔墩３＃和４＃ 机组中间隔墩４＃机机组边
电动机边 ８８．０ ９０．５ ８９．８ ９５．６ 齿轮箱边 ８７．８ ８９．７ ８９．１ ９５．４ 水泵边 ８５．６ ８７．４ ８６．８ ９１．７ 表２ 泵站运行期厂界噪声执行标准单位：ｄＢ（Ａ）
类别夜间昼间适用范围
４ ５５ ７０ 北厂界（凤起东路建成后）、东厂界 ２ ５０ ６０ 北厂界（凤起东路建成前）、西厂界和南厂界 2 泵站同步电机电磁过程仿真分析
电动机电磁噪声主要是电机通电后电磁场产
生的电磁力引起电机结构部件的振动，从而使电机
定子内空气粒子形成疏密声波，其大小取决于电磁
力大小、电机结构件振动特性和电机本身辐射特
性，降低电机电磁噪声主要从这三方面考虑［８ －１１］ ．
根据选定的泵站同步电动机制造设计技术参数，利
用ＡＮＳＹＳ 有限元软件进行电机机构振动特性、电磁
过程数值仿真，模拟电磁噪声产生过程并计算出电
磁力波幅值，验证电动机制造设计预估的噪声值符
合指标．
2．1 定子铁心（有绕组）模态的仿真计算
定子铁心的网格（见图１）， 图中没有考虑定子
绕组．定子铁芯模态计算时考虑绕组带来的影响，
铁芯自由振动时模态的计算结果（见图２），径向电
磁力谐波计算出０ 阶和８ 阶，下面仅给出０ 阶和８
阶的模态．
图１ 定子铁芯网格图
第５ 期 潘志军等：大型泵站低噪声电动机设计分析及噪声测算 ７１
万方数据
图２ 定子铁芯模态振型图
2．2 磁通密度及其谐波的仿真分析
旋转磁场谐波理论广泛地应用于电机磁场分
析，可将时空变化的气隙径向磁通密度利用无穷多
个正转或者反转的径向磁通密度波来线性叠加．利
用场路耦合时步有限元数学模型可计算出每一个
时刻的节点矢量磁位，由气隙中节点矢量磁位可求
出气隙磁通密度．
Br （θ，t） ＝ Σ∞
m ＝－∞Σ∞
n ＝０
Br，mn ｃｏｓ（ωB，n t －mθ ＋θr，mn ）
（１）
式中：m，n—对应空间谐波和时间谐波的次数，
均为整数，m 的绝对值表示谐波的极对数，m 为正整
数时表示正转波，m 为负整数时表示反转波；
θ— 空间圆周方向上的机械角度，（°）；
７２ 浙江水利水电学院学报 第２９ 卷
万方数据
t— 时间，ｓ；Br，mn— 幅值，Ｔ；
ωB，n— 时间角频率，ｒａｄ，ωB，n ＝２πfB，n ；
θr，mn— 初始角度，（°）；fB，n— 频率，Ｈｚ；
r— 径向分量．
同步电动机空载稳态运行时，通过软件计算得
到切向磁通密度空间分布结果（见图３）．径向磁通
密度空间分布结果（见图４），从分析可以得出电磁
力必会引起定子振动而产生电磁噪声，在磁通密度
大的地方电磁力也大，且以径向为主，产生的噪声
也相应增大．同步电动机负载运行时磁通密度波的
计算方法类似，不再赘述．
图３ 切向磁通密度空间分布图 图４ 径向磁通密度空间分布图
2．3 磁力密度及其谐波的仿真分析
基于Ｍａｘｗｅｌｌ 应力张量理论，用等效磁张力方
法（面积力） 代替体积力方法求出单位面积上的电
磁力，它的径向分量公式为：
σr ≈ B２r
－B２t
２μ０ （２）
式中：σr— 径向电磁力，Ｐａ；
Bt— 周向磁通密度，Ｔ；
Br— 径向磁通密度，Ｔ；
μ０ — 面积，ｍ２．
同磁通密度波一样，径向电磁力波也为行波，
因此旋转谐波理论亦适用于电磁力波的分析，可将
时空变化的径向电磁力分解为无穷多个正转或者
反转的径向电磁力波，径向电磁力为这些力波的线
性叠加，即
σr （θ，t） ＝ Σ∞
m ＝－∞Σ∞
n ＝０ σr，mn ｃｏｓ（ωσ，n t －mθ ＋θr，mn ）
（３）
式中：m，n—对应空间谐波和时间谐波的次数，
均为整数，m 的绝对值表示空间阶次，m 为正时表示
正转波，为负时表示反转波；
θ— 空间圆周方向上的机械角度，（°）；
t— 时间，ｓ；θr，mn— 初始角度，（°）；
σr，mn— 幅值，Ｐａ；r— 径向分量；
ωσ，n— 时间角频率，ｒａｄ，ωσ，n ＝２πfσ，n ，fσ，n—频
率，Ｈｚ．
同步电动机空载稳态运行时，通过软件计算得
到切向电磁力密空间分布结果（见图５），径向电磁
力密空间分布结果（见图６）．从分析可以得出磁通
密度与电磁力之间存在的对应关系，磁力大的地方
图５ 切向磁力密度空间分布图 图６ 径向磁力密度空间分布图
第５ 期 潘志军等：大型泵站低噪声电动机设计分析及噪声测算 ７３
万方数据
表３ 主要的切向电磁力密谐波
序号极对数频率／Ｈｚ 幅值／Ｐａ 相角／ｒａｄ 转向
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 主要的径向电磁力密谐波
序号极对数频率／Ｈｚ 幅值／Ｐａ 相角／ｒａｄ 转向
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 的力波相应增大．软件计算得出的主要切向电磁力
谐波（见表３），径向电磁力谐波（见表４），表３ 和表
４ 中电磁力谐波按幅值大小排序列出，转向列中，正
号表示正转波，负号表示反转波，P 为极对数，Q 为
定子槽数．通过分析看出低阶次电磁力波幅值均在
３００ Ｐａ 以下，电磁力波幅值很小，不会产生明显的
电磁噪声，Ｔ３３００ －８／１７３０ 型同步电动机电磁噪声
能满足预设控制指标．
2．4 采用场路耦合时步有限元对该同步电动机进
行空载运行仿真计算
初始设定转子转速为７４０ ｒ／ｍｉｎ，励磁绕组支路
中串入２ Ω的起动电阻，且此时不施加直流电压，
在０．１ ｓ 去掉起动电阻并同时在励磁绕组中加直流
电压，电压值控制在２９ ～３０ Ｖ．仿真过程中采用了
变步长计算， 在５ ｓ 左右转子迁入同步转速
７５０ ｒ／ｍｉｎ．
转子转速（见图７），转子电磁转矩（见图８），定
子三相线电流（见图９），转子励磁电流（见图１０）．
同步电机空载运行时示波器测试的空载稳态电流、
励磁电流与仿真结果基本一致．
图７ 转子转速随时间的变化图
图８ 转子电磁转矩随时间的变化
图９ 定子三相线电流
图１０ 转子励磁电流
７４ 浙江水利水电学院学报 第２９ 卷
万方数据
3 泵站同步电机负载运行时噪声测
试结果
根据确定的同步电机设计方案进行工厂制造，
电动机在工厂制造过程中严格执行工艺标准，派驻
厂监理进行制造过程质量控制，确保设计先进，制
造品质一流．经过半年工厂制造，在出厂验收时电
动机空载运行噪声指标比同类型电动机约低５ ｄＢ
（Ａ），在泵站机组启动运行中在同类型泵站的相对
应测点位置噪声值约低６ ～７ ｄＢ（Ａ）［１２］ ，１ 台机组
运行测试数据（见表５）．
表５ 三堡泵站１＃、２＃机组同时运行时各监测点噪声声级
单位：ｄＢ（Ａ）
测点位置１＃机机组２＃机机组３＃机机组４＃机机组
空载时电动机边 ７９．７ ７８．６ ７９．５ ７７．８ 负载时电动机边 ８８．６ ８７．０ ８８．５ ８７．２ 负载时水泵边 ８４．９ ８６．４ ８６．７ ８５．７ 4 结 论
通过对泵站噪声源的甄别，研究泵站最大噪声源
同步电动机的噪声治理设计方案，提出同步电动机运
行时叶片空气动力噪声、机械转动噪声设计降噪方案
后，重点研究电磁噪声的治理方案．选定电动机制造
设计技术参数方案后，利用有限元建模数值仿真计算
得出电机机构振动特性以及仿真电磁过程得出的电
磁力波引起的振动幅值来预估噪声幅值特性．实践证
明，这种方法是可行的，可以为其他低噪声同步电动
机的制造设计研发提供思路，为建设同类型环境友好
型大型泵站工程提供参考和借鉴．
参考文献：
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江水利水电学院学报，２０１１，２３（２）：５ －８．
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案研究［Ｒ］．杭州：浙江省环境科学研究院，２０１０．
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电机，２０１１，４４（７）：１５ －１９．
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［１０］ 王 荀，邱阿瑞．大中型异步电动机定子模态的仿真分析
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［１１］ 尚荣艳，彭长青，方瑞明．低噪声异步电动机设计要点综述
［Ｊ］．防爆电机，２０１２（４７）：５ －１０．
［１２］ 王丰平，仇 涛．杭州三堡排涝工程机组启动验收测试报告
［Ｒ］．杭州：浙江省河口研究院，２０１５．
（上接第６３ 页）
抗压强度较未添加该外加剂的抗压强度有所提高，
劈裂抗拉强度、轴拉强度略有降低，渗水高度略有
降低．由于未添加防渗自愈剂的变态混凝土本身抗
渗效果能满足设计抗渗等级要求，因此添加防渗自
愈剂提高抗渗效果不明显，抗冻性能略有提高．
5 结 语
根据奋斗水库实际工程条件，通过中国水科院
的研究，引进防渗自愈剂掺入防渗层，变态混凝土
和大坝混凝土层间结合砂浆，投入筑坝施工建设工
程中后，改善了变态混凝土的和易性，混凝土的凝
结时间稍有缩短，力学性能与不掺相比基本相当，
但耐久性能得到提高，特别是抗渗性能提高明显，
且对变态混凝土产生的裂缝具有愈合作用，可以在
防渗抗裂混凝土中推广应用．防渗自愈剂的应用是
新型材料在碾压混凝土筑坝应用技术中的一个新
台阶，可为其他类似工程提供参考．
参考文献：
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试验规程［Ｓ］．北京：中国电力企业联合会，２０１４．
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国水利水电科学研究院，２０１６．
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［Ｊ］．东北水利水电，２０１６，３４（１０）：４１ －４２．
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