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                  電機振動噪聲的產生以及控制
                  日期:[2021-8-30 10:19:17]   共閱[264]次

                  前言

                  在電驅動系統中,電機、控制器引起的振動和噪聲問題變得愈加顯著。新能源汽車上,電機驅動系統的噪聲更加顯著。中高頻段上,整車噪聲基本由電機、驅動系統、電控系統所主導,影響車內聲品質。這些問題,正在逐漸成為,整車廠、電機廠商以及電控系統供應商亟待解決的棘手問題。
                        
                  當前將電磁、結構有限元分析流程有效結合起來,為電機的電磁、PWM(脈寬調制)、機械及NVH性能優化提供了一個完整的虛擬仿真過程及數據分析功能。

                       為了搞清楚電機的振動和噪聲產生的原因和機理,在隨后的文章中對其進行闡述。
                  先從電機的噪聲說起,電機噪聲根據其產生機理的不同,大致可分為三類:電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲

                  1、電磁噪聲

                  電磁噪聲來源于電磁振動,電磁振動由電機氣隙磁場作用于電機鐵心產生的電磁力所激發,而電機氣隙磁場又決定于定轉子繞組磁動勢和氣隙磁導。氣隙磁場產生的電磁力是一個旋轉力波,有徑向和切向兩個分量。徑向分量使定子和轉子發生徑向變形和周期性振動,是電磁噪聲的主要來源;切向分量是與電磁轉矩相對應的作用力矩,它使齒對其根部彎曲,并產生局部振動變形,是電磁噪聲的一個次要來源。
                     
                  還有很多設計和故障原因,也會造成電磁噪聲的增加,例如:鐵心飽和的影響;電網中的諧波分量;異步電動機斷條;裝配氣隙不均勻等等。電磁噪聲的大小與電機氣隙內的諧波磁場及由此產生的力波的幅值、頻率和磁極數有關,也同定子的固有頻率、阻尼系數等密切相關。


                  2、機械噪聲

                  電機運轉部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結構共振形成機械噪聲,主要是軸承和換向引起的。電機軸承在繁重的工作狀態下運轉時,滾珠和外圈滾道相接處會發生彈性變形。滾道變形隨接觸處的變化呈周期性變化,產生振動和噪聲。軸承裝機后,內外圈的配合及軸承游隙對電機噪聲也有一定的影響。換向噪聲在有滑環和換向器的電機中是不可避免的。換向噪聲有三種原因引起:
                     
                  摩擦噪聲:電刷與滑環和換向器的滑動連接處產生摩擦噪聲,其大小與滑環和換向器表面狀態、電刷的摩擦系數、電刷壓力以及空氣的絕對濕度有關。撞擊噪聲:由于換向器變形,云母溝工藝不好,電刷在電機旋轉時周期性的撞擊換向片從而產生噪聲;鸹ㄔ肼暎河呻娝⒑蛽Q向器或滑環接觸導電過程中產生的火花引起。

                  3、空氣動力噪聲

                  產生這種噪聲的根本原因是電機通風系統中氣流壓力的局部迅速變化和隨時間的急劇脈動,以及通風氣流與電機風路管道的摩擦。
                     
                  這種噪聲通常直接從氣流中輻射出去。電機的空氣動力噪聲主要包括:

                  旋轉噪聲:風扇高速旋轉時,空氣質點受到風葉周期性力的作用,產生壓力脈動,就產生了旋轉噪聲。
                     
                  渦流噪聲:在電機旋轉過程中,轉子表面上的突出物會影響氣流。由于粘滯力的作用,氣流分裂成一系列分立的小渦流,這種渦流之間的分裂使空氣擾動,形成壓縮與稀疏過程,從而產生噪聲。
                     
                  笛聲:氣流遇障礙物發生干擾時會產生單一頻率的笛聲,隨轉動部件和固定部件之間氣隙的減小而增強。
                     
                  通常在封閉式的電機中噪聲的形成不僅與機殼振動強度有關,而且還與聲源的大小和輻射的波長之間的關系有關,以及輻射表面的波節線分布情況有關,如果波長大于噪聲源的尺寸,那么隨著輻射體尺寸的增加,輻射聲強也增大。在電機的振動噪聲中有兩個特點特別重要,往往只要加以適當的改進,就可以取得明顯的防振降噪效果。一是轉子的平衡,電機轉子的不平衡能產生顯著的振動,二是電機的安裝和連接,電機的安裝與連接好壞可以大大改變電機本身和與之相連的元件的振動噪聲情況。

                  目前世界各國對電機振動和噪聲研究主要集中在電磁力波的研究,定子振動特性及聲學特性研究,軸承和電刷的制造和裝配工藝,冷卻風扇的合理設計和選用,主要采用吸、隔、消的方法與措施。


                  振動是噪聲的來源,電機的振動與傳統發動機的振動形式不同,原理也不盡相同,因此對汽車動力總成的影響也不同,電機的振動噪聲對車輛的吸聲和隔聲要求與傳統車不同,動力總成懸置的設計也不同。對振動的控制要從了解電機的特性本身基礎上進行控制。
                     
                  人體對振動的靈敏度取決于振動頻率,人體對振動最敏感的頻率范圍是2-20Hz,在這個頻率范圍內感覺域是0.003g,不快域是0.05g,不可忍域是0.5g,電機的振動波形式不是單一的正弦波,而是由許多不同頻率成分的波形成。

                   電動機產生振動,會使繞組絕緣和軸承壽命縮短,影響滑動軸承的正常潤滑,振動力促使絕緣縫隙擴大,使外界粉塵和水分入侵其中,造成絕緣電阻降低和泄露電流增大,甚至形成絕緣擊穿等事故。

                      另外,電動機產生振動,又容易使冷卻器水管振裂,焊接點振開,同時會造成負載機械的損傷,降低工件精度,會造成所有遭到振動的機械部分的疲勞,會使地腳螺絲松動或斷掉,電動機又會造成碳刷和滑環的異常磨損,甚至會出現嚴重刷火而燒毀集電環絕緣,電動機將產生很大噪音,這種情況一般在直流電機中也時有發生。


                  電動機振動的十個原因:

                  1、轉子、耦合器、聯軸器、傳動輪(制動輪)不平衡引起的。
                  2
                  、鐵心支架松動,斜鍵、銷釘失效松動,轉子綁扎不緊都會造成轉動部分不平衡。
                  3
                  、聯動部分軸系不對中,中心線不重合,定心不正確。這種故障產生的原因主要是安裝過程中,對中不良、安裝不當造成的。
                  4
                  、聯動部分中心線在冷態時是重合一致的,但運行一段時間后由于轉子支點,基礎等變形,中心線又被破壞,因而產生振動。
                  5
                  、與電機相聯的齒輪、聯軸器有故障,齒輪咬合不良,輪齒磨損嚴重,對輪潤滑不良,聯軸器歪斜、錯位,齒式聯軸器齒形、齒距不對、間隙過大或磨損嚴重,都會造成一定的振動。
                  6
                  、電機本身結構的缺陷,軸頸橢圓,轉軸彎曲,軸與軸瓦間間隙過大或過小,軸承座、基礎板、地基的某部分乃至整個電機安裝基礎的剛度不夠。
                  7
                  、安裝的問題,電機與基礎板之間固定不牢,底腳螺栓松動,軸承座與基礎板之間松動等。
                  8
                  、軸與軸瓦間間隙過大或過小不僅可以造成振動還可使軸瓦的潤滑和溫度產生異常。
                  9
                  、電機拖動的負載傳導振動,比如說電機拖動的風機、水泵振動,引起電機振動。

                  10、交流電機定子接線錯誤、繞線型異步電動機轉子繞組短路,同步電機勵繞組匝間短路,同步電機勵磁線圈聯接錯誤,籠型異步電動機轉子斷條,轉子鐵心變形造成定、轉子氣隙不均,導致氣隙磁通不平衡從而造成振動。

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