电机噪音分析

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1 引言

噪声是由物体的振动产生的，再通过空气或其它弹性介质才能传播到人的耳朵。它由很多杂乱无章的单调声音混合而成。其中20Hz ～20000Hz 是人们耳朵可以听到的频率。低于20Hz 的波叫次声波，高于20000Hz 的波叫超声波。

噪声直接影响人们的身体健康，太强或长时间噪声，会使人十分痛苦、难受，甚至使人耳聋或死亡。噪声是现代社会污染环境的三大公害之一。为了保障人民的身体健康，国际标准化组织（ISO ）规定了人们容许噪声的标准，如表1。

表 1

每天最长工作时间（h ） 8 4 2 -

噪声dB(A) 85 93 96 115(最大）

电机是产生噪声的声源之一，电机又在家庭、商业、办公室以及工农医等行业广泛而大量地应用着，与人民的生活密切相关。随着社会的进步，人们对污染环境的噪声提出了越来越高的要求与限制，尤其对与人们密切接触的家用电器更是如此。这方面，先进国家尤其重视。我国政府历来重视人民的健康，对限制噪声不遗余力。表2是我国产品标准规定的部分家用电器的噪声限值。

表2 我国部分家用电器的噪声限值 dB(A）

电冰箱（250升以下） 洗衣机 吸油烟机 电磁灶 吸尘器 洗衣机 镇流器 空调器（2500W 、分体式）

52 75 75 50 84 72 35 45

因此，尽量降低电机的噪声，生产低噪声的电机，给人们创造一个舒适、安静的环境是每个设计者与生产者的职责。

2 电机噪声的分类

根据电机噪声产生的不同方式, 大致可把其噪声分为三大类:

①电磁噪声；②机械噪声；③空气动力噪声。

3 电磁噪声

电磁噪声主要是由气隙磁场作用于定子铁芯的径向分量所产生的。它通过磁轭向外传播，使定子铁芯产生振动变形。其次是气隙磁场的切向分量，它与电磁转矩相反，使铁芯齿局部变形振动。当径向电磁力波与定子的固有频率接近时，就会引起共振，使振动与噪声大大增强，甚至危及电机的安全。

根据麦克斯韦定律，气隙磁场中单位面积的径向电磁力按下式计算：

式中：B ——气隙磁密

θ——机械角位移

μ0——真空磁导率

由于定、转子绕组中存在着主波磁势与各次谐波磁势，它们相互作用可以产生一系列的力波。

3.1 主波磁场产生的力波

主波磁场B1所产生的径向力波为：Pr1=P0+P1，式中，是径向力的不变部分，它均匀作用于圆周上，使定子铁芯受到压缩应力。不变部分不会产生振动与噪声。P1=P0cos(2pθ-2ω1t-2θ0) ，其中p 主波的极对数，ω1—主波的角速度，θ0—初相角。P1是径向力波的交变部分，这个力波的角频率是2ω1，即2倍的电源频率，它使定、转子产生2倍电源频率的振动与噪声。它的强度与气隙磁密的平方成正比。这在两极的大容量电机中，容易产

生较大的影响，而在一般情况下，由于它的频率较低，其影响不显著。

3.2 谐波磁场产生的力波

谐波磁场产生的力波所引起的振动与噪声，一方面与该力波的幅值大小有关，也与力波的次数有关。在大多数情况下，次数小于10的影响较大，高次数的力波一般不考虑。所以一定要选择合适的定转子槽配合，以避免产生较低次的力波。若Z1和Z2分别代表定、转子槽数，则要求：Z1-Z2≠(0或2p),Z1-Z2≠(±1或2p ±1) ，Z1-Z2≠(±2或2p ±2),Z1-Z2≠(±3或2p ±3) 。

3.3 由一阶齿谐波所产生的力波

由于定子或转子上齿槽的影响，磁导将产生周期性变化，而引起气隙磁密的大小周期性变化，而产生了齿谐波。这齿谐波所引起的振动与噪声可采用斜槽的方法，将其削弱。一般情况下，转子斜一个定子槽距时，其齿谐波所产生的径向力要比直槽时小得多。

3.4 单边磁拉力所产生的力波

由于定、转子的偏心，或磁路的不对称，将引起磁通分配的不对称，而出现一边受力大、一边受力小的现象，也就产生了单边磁拉力。它随着转速而周期性地变化。

当其中极对数为p ±1的附加磁场与主波磁场相互作用时，所产生的力波次数为±1，这样低的力波很可能引起振动与噪声。因此，我们在设计或加工时，定、转子圆度一定要达要求，磁路一定要对称、均匀。在电机装配中，应校验定、转子的同轴度，使之在精度要求范围内。

3.5 降低电磁噪声的方法

综上所述产生电磁噪声的成因，我们可采用下列方法降低电磁噪声。

⑴尽量采用正弦绕组，减少谐波成份；

⑵选择适当的气隙磁密，不应太高，但过低又会影响材料的利用率；

⑶选择合适的槽配合，避免出现低次力波；

⑷采用转子斜槽，斜一个定子槽距；

⑸定、转子磁路对称均匀，迭压紧密；

⑹定、转子加工与装配，应注意它们的圆度与同轴度；

⑺注意避开它们的共振频率。

4 机械噪声

机械噪声包括轴承噪声、因转子不平衡而产生的噪声及装配偏心而引起的噪声。另外，直流电机和串励交流电机中的碳刷也会产生振动而引起噪声。在很多情况下，机械噪声往往成为电机噪声的主角。

4.1 轴承噪声的产生与控制

由于轴承随电机转子一起旋转，因滚珠、内圈、外圈表面的不光滑，它们之间有间隙，滚珠的不圆或内部混合杂物，而引起它们间互相碰撞产生振动与噪声。

其产生的噪声值与滚珠、内外圈沟槽的尺寸精度、表面粗糙度及形位公差等有很大关系。有人认为，只要采用精密轴承就可以降低轴承噪声，殊不知使用后，反而使噪声增加。原因是轴与轴承内圈的配合过紧，使精密轴承的内圈变形大于普通轴承的变形量，因而跳动、振动加大，噪声上升。所以轴承与轴承室、轴的配合也是非常重要的。

降低轴承噪声应采取下列方法：

⑴一般应采用密封轴承，防止杂物进入；

⑵轴承生产厂在轴承装配前，对滚珠、内圈、外圈的机加工一定要达到设计要求，在装配时，应有严格的退磁清选工序，洗去油污与铁屑。事实证明，清洗后的轴承比清洗前的轴承噪声一般降低3dB 。润滑脂一定要清洁干净，绝不能含有任何铁屑、灰尘和杂质；

⑶轴承外圈与轴承室的配合、内圈与轴的配合，一般不宜太紧。轴承外圈与轴承室的配

合，其径向间隙宜在3～9μm 的范围内；

⑷为消除转子的轴向间隙，必须对轴承施加适当的压力。一般选用波形弹簧垫圈或三点式弹性垫圈，且以放在轴伸端为宜；

⑸对于噪声要求特别的电机，宜选用低噪声轴承。当负载不太大时，可采用含油滑动轴承，它比同尺寸的滚动轴承的噪声有时可低10dB 左右；

4.2 转子机械不平衡产生的噪声与控制

如果一个电机转子（包括上面的绕组）的质量分布是均匀的，制造与安装时的圆度和同心度是合格的，则运转平稳，它对轴承或支架的压力只有静压力，即转子本身的重量。如果转子的质量分布是不均匀的，则转子是不平衡的转子，它转动时就会产生附加的离心力，轴承或支架就会受到周期性附加离心力的作用，通过轴承或支架传到外壳，引起振动，产生噪声。当不平稳量过大或转速过高，将使电机无法正常工作，甚至损坏或飞逸，后果十分严重。电机中冷却风扇的不平衡同样也会产生较大的噪声。

转子的平衡有二种：静平衡与动平衡。

静平衡的转子不一定动平衡，但动平衡的转子一定会静平衡。所以转子仅校静平衡是不够的，对于速度较高的转子必须校动平衡。目前常用两种方法使之平衡：去重法与加重法。去重法效率较高，但对铁芯会造成一定损伤，特别是在不平衡量较大时，就不宜采用此法。加重法的加工效率不高，但比较灵活，且不损伤转子铁芯。不平衡的风扇同样需要校动平衡。

4.3 碳刷装置噪声的产生与控制

碳刷装置的噪声是由碳刷位置安装不良或碳刷与刷架的配合不当或碳刷压力不适合及换向器表面有毛刺或圆度不够等多方面的原因所产生的。

当电机为25～50W ，转速为3500～5000r/min，并使用常规换向器与碳刷时的最佳值是：倾斜角α为0°，伸出长度l1为2～4mm ，碳刷与刷架之间的间隙为0.2mm 。

另外，还应选择换向性能与摩擦性能良好的碳刷也有助于降低噪声。

5 空气动力噪声的产生与控制

电机的空气动力噪声是由旋转的转子及随轴一起旋转的冷却风扇造成空气的流动与变化所产生的。流动愈快、变化愈剧烈，则噪声越大。

空气动力噪声与转速、风扇与转子的形状、粗糙度、不平衡量及气流的风道截面的变化和风道形状有关。风扇噪声在电机的噪声中往往占主要地位。

降低空气动力噪声的主要措施如下：

⑴对散热良好或温升不高的电机尽量取消风扇，消除噪声源；

⑵对外风扇，在设计时尽量不留通风裕量，优先采用轴流式风扇；

⑶外风扇与转轴的联接不用键联接，而采用滚花直纹工艺；

⑷外风扇应厚薄均匀、无扭曲变形、间距均匀，且应校动平衡；

⑸风道中尽量减少障碍物，有专用风道的宜采用流线形风道，风道的截面变化不要突然； ⑹转子的表面应尽量光滑。

6 降低噪声的其它措施

由于噪声虽是由物体的振动产生的，但它还必须通过空气或其它弹性介质如金属、水等才能传播到人的耳朵。因此，人们可以采用隔离法来阻断或衰减噪声的传播。

所渭隔离法，是用金属或吸音材料把噪声源包裹起来，或把噪声源与支架的联接由刚性联接改为弹性联接，使噪声在传播过程中受到很大的衰减或使物体的振动减小，防止振动扩大，从而降低了噪声。