電機振動與噪聲的分析

1、電機的振動及噪聲1、概述噪聲干擾人們正常談話，降低人的思維能力，使人疲勞，并影響人睡眠、休息和工作，長期生活在大噪聲的環(huán)境中，不僅可使人耳朵由痛感，還使人的聽覺受到損害，甚至?xí)l(fā)生昏厥和引起神經(jīng)系統(tǒng)疾病。而振動是噪聲的來源，我們在控制噪聲的同時也同樣抑制了振動，所以在分析電機的噪聲時，總是結(jié)合電機的振動一起來描述。為了保證人們有一個合理的生活、工作環(huán)境，各國都制定了法規(guī)以限制噪聲的污染。我國在1988年參照國際標準ISO1680.2(1986)聲學(xué)旋轉(zhuǎn)電機輻射空氣噪聲的測定之第二部分簡易法和ISO3746(1980)聲學(xué)一一噪聲源的聲功率級測定：簡易法制定了GB10069.2-88旋轉(zhuǎn)電機噪聲

2、測定方法及限值：噪聲簡易測定方法。電機噪聲主要來自三個方面，即空氣噪聲、機械噪聲和電磁噪聲，但有時也會將電路內(nèi)部噪聲列入噪聲源之一。電路內(nèi)部噪聲主要來自電路自勵、電源哼聲以及電路元件中的電子流起伏變化和自由電子的熱運動。2、電機噪聲和振動及抑制措施(1)空氣噪聲空氣噪聲主要由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，使空氣流動、撞擊、摩擦而產(chǎn)生。噪聲大小決定于風(fēng)扇大小、形狀、電機轉(zhuǎn)速高低和風(fēng)阻風(fēng)路等情況?？諝庠肼暤幕绢l率fv：fv=Nn/60(Hz)其中，N風(fēng)扇葉片數(shù)n電機轉(zhuǎn)速(RPM)風(fēng)扇直徑越大，噪聲越大，減小風(fēng)扇直徑10%,可以減小噪聲23dB。但隨之冷量也會減少。當(dāng)風(fēng)葉邊緣與通風(fēng)室的間隙過小，就會產(chǎn)生笛聲(似吹笛

3、聲)。如果風(fēng)葉形狀與風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)不合理，造成渦流，同樣也會產(chǎn)生噪聲。由于風(fēng)扇剛度不夠，受氣流撞擊時發(fā)生振動，也會增加噪聲。此外，轉(zhuǎn)于有凸出部分，也會引起噪聲。針對以上產(chǎn)生空氣噪聲的原因，則下列措施有助于減小空氣噪聲：合理地設(shè)計風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和風(fēng)葉形狀，避免產(chǎn)生渦流；保證風(fēng)葉邊緣與通風(fēng)室有足夠的間隙，在許可情況下，盡量縮小風(fēng)扇直徑；在許可情況下，將氣流轉(zhuǎn)向后再吹(吸)出，可明顯降低噪聲，此在吸塵器中已有采用；保證風(fēng)路通暢，減小空氣的撞擊和摩擦。如果從聲源方面還不能控制通風(fēng)噪聲時，就要采用隔聲或用消聲的方法，還可以在定子徑向風(fēng)道口附近防置吸聲材料。最簡單也是最有效的隔聲方法是用鋼板、木板或塑料板制成的隔聲

4、罩，把整個電機包圍起來，可降低噪聲20分貝左右，當(dāng)然這對整體三熱是不利的，而且所占用的空間也比較的大。風(fēng)葉的兜風(fēng)角度對噪音影響較大，角度加大5到10度噪音可減少1至112db.(2)機械噪聲機械噪產(chǎn)主要包括軸承噪聲、轉(zhuǎn)子不平衡及碳刷與換向器摩擦所引起的噪聲。軸承噪聲滾動軸承由軸承內(nèi)圈、滾珠、滾珠保持架和軸承外圈組成。軸承外圈不轉(zhuǎn)動,軸承內(nèi)圈合轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，而滾珠在軸承內(nèi)圈的滾道和軸承外圈的滾道及保持架中滾動旋轉(zhuǎn)，保持架又被滾動旋轉(zhuǎn)著的滾珠帶動旋轉(zhuǎn)。所以軸承噪聲主要由下列頻率的噪聲組成。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率：fa=n/60(Hz)則滾珠的旋轉(zhuǎn)頻率：fbb=(1/dr)(d1d2/(d1+d2)n/60

5、(Hz)式中：dr滾珠直徑(mm)d1軸承內(nèi)圈滾道的直徑(mm)d2軸承外圈滾道的直徑(mm)保持架的旋轉(zhuǎn)頻率fbs=(d1/(d1+d2)-(n/60)(Hz)而軸承內(nèi)外圈滾道中的波紋、凹坑、超糙度是引起噪聲的主要原因。試驗表明，噪聲聲壓級與滾動面的波紋高度和波紋數(shù)的乘積成正比。止匕外，徑向游隙的大小，也影響噪聲，減小徑向游隙，可降低噪聲，但是徑向游隙小的軸承要求配用在兩軸承室同心度高的機殼和端蓋，并且對轉(zhuǎn)子同軸度的要求提高。同時潤滑脂質(zhì)量的優(yōu)劣也是影響噪聲的主要原因。噪聲與潤滑脂的粘度有關(guān)，試驗表明，噪聲隨粘度增大而減小，但粘變增大到一定數(shù)值后，噪聲反而增大，這是因為油膜對振動有援沖作用，

6、粘度大、噪聲低，但當(dāng)粘度過大，轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)攪拌聲。安裝誤差對軸承噪聲的影響。軸承的安裝誤差超過某一臨界值會使軸承噪聲急劇增大，而臨界角隨軸承徑向游隙減小而減小。圖一表示某單列內(nèi)心軸承在不同徑向游隙時安裝誤差角對噪聲的關(guān)系。7472706866646260121-游隙20u32-游隙12u3-游隙2uIIIIIa0612182430安裝角誤差（分）圖一軸承安裝誤差與噪聲的關(guān)系綜上所述，為足夠降低軸承噪聲，則需要保證軸承內(nèi)外圈滾道的精加工質(zhì)量，在可能的情況下采用小的徑向游隙，以及選用上好的潤滑脂及合適的粘度，控制軸承工裝誤差角在臨界角以下，同樣可以降低滾動軸承的噪聲。在電機結(jié)構(gòu)中采用波形彈簧對軸承外

7、圈施加一個軸向預(yù)緊力，可以減消頻率在400Hz左右的嗡嗡聲。因為電機轉(zhuǎn)動時，軸承由于沒有預(yù)緊力的作用，軸承內(nèi)的鋼球處于自由狀態(tài)就會發(fā)生自由振動，這種振動是隨機的，而且它還可能與保持架、套圈等發(fā)生碰撞而產(chǎn)生附加噪聲。如果用波形彈簧對軸承外圈增加一個預(yù)緊力，它適當(dāng)?shù)卣{(diào)整了軸承的，當(dāng)有軸向分量時彈簧對其有阻尼作用而使振動減小，從而減弱鋼珠的自由振動，從而削弱了附加的噪聲。用滑動軸承代替滾珠軸承是降低軸承噪聲的最有效的辦法，粉末冶金含油軸承以結(jié)構(gòu)簡單，造價低，噪聲小，頻譜均勻而且比較穩(wěn)定，逐漸被引入到噪聲要求低于40分貝以下的微電機。但這類軸承采用的多孔體結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生漏油現(xiàn)象，從而影響其潤滑性，而且

8、它的負荷能力比相同外徑的滾動軸承要小一些，而且如果軸與軸承內(nèi)孔表面精密度低、粗糙度大、孔隙率大，供油不足以及鐵銅基石墨含油軸承中的游離滲碳比例過多，分布不均勻，造成個別硬點，也將產(chǎn)生某些高頻噪聲。轉(zhuǎn)于不平衡引起的噪聲高轉(zhuǎn)速電機的轉(zhuǎn)子必須嚴格的進行動平衡校驗，以減少轉(zhuǎn)子殘余不平衡量，轉(zhuǎn)子不平衡噪聲的頻率等于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率fa。雖然頻率不高，一般在400Hz以下，但由于引起電機振動，從而使各部分的噪聲增大。當(dāng)轉(zhuǎn)子的動平衡精度達到G6.3級時，轉(zhuǎn)子不平衡所引起的噪盧和振動都能顯著地得到改善。碳刷與換向器摩擦所引起的噪聲由于電刷壓在旋轉(zhuǎn)的換向器上而產(chǎn)生摩擦噪聲。一般電機大多采用半塑料換向器，換向器表面的

9、圓度不好，片間云母因下刻而略下凹，從而使摩擦噪聲增大，并使噪聲的頻率提高。換向器圓度不好以及換向片表面不平使噪聲增大。碳刷與換向器摩擦噪聲的頻率：fk=k(n/60)(HZ)式中：k換向片數(shù)止匕外，碳刷座結(jié)構(gòu)不夠牢固，從而引起周期性振動也會使噪聲增大。綜上所述，嚴格控制換向器的圓度，保證表面良好的光潔度和跳動，以及采用堅固牢靠的碳刷座結(jié)構(gòu)，者B能降低電刷和換向器摩擦所引起的噪聲。(3)電磁噪聲作用在電機定、轉(zhuǎn)子空氣隙中的交變電磁力會使電機定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生振動及噪聲。由于氣隙磁場不僅有基波而且還有一系列高次諧波存在，這些磁場相互作用將產(chǎn)生周期性的作用力，基波及高次諧波電磁力均會引起振動及噪聲。電磁聲頻

10、率分布大多在100-4000Hz之間。振動及噪聲強度的大小與電磁力的大小和定子、轉(zhuǎn)子剛度有關(guān)。當(dāng)激發(fā)振動的電磁力與振動的零部件的自振頻率相吻合時，將會產(chǎn)生共振，振動及噪聲也將顯著增加。電磁力有徑向分量和切向分量，電磁力徑向分量在引起電機振動及噪聲方面起主要作用，它使定子鐵心產(chǎn)生徑向振動，徑向振動產(chǎn)生的噪聲為電機電磁噪聲的主要成分。在采用單數(shù)槽轉(zhuǎn)子沖片時，槽致噪聲成為電磁噪聲的最主要部分。電機運行過程中，單數(shù)槽的轉(zhuǎn)子鐵芯周期性地受到單邊磁拉力的變化所產(chǎn)生的，其原因可通過圖一來解釋。(a)(b)圖二磁極下覆蓋槽數(shù)的變動在圖二(a)中，上磁極極弧下覆蓋三個轉(zhuǎn)子槽，而下磁極極弧只覆蓋兩個轉(zhuǎn)子槽，此時上

11、部磁拉力大，下部磁拉力小，使定子鐵芯有向上移動的趨勢。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動半個槽距后，則如圖二(b)所示，此時下磁極極弧覆蓋了三個轉(zhuǎn)子槽，而上磁極極弦只覆蓋了兩個轉(zhuǎn)子槽，此時的磁拉力情況起了變化，下部磁拉力大，上部磁拉力小，因此定子鐵芯有向下移動的趨勢。所以在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，定子鐵芯產(chǎn)生周期性的上下振動。同理，轉(zhuǎn)子受到了周期性變化的單邊磁拉力，從而引起轉(zhuǎn)子振動。采用雙數(shù)槽轉(zhuǎn)子時，不會發(fā)生上述情況，但轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時槽位變化，在氣隙中造成脈振磁場，也可能引起振動。按照上面分析，所產(chǎn)生的電磁噪聲頻率fs=Zn/60（HZ）式中Z轉(zhuǎn)子槽數(shù)在電磁噪聲中，除上述原因所產(chǎn)生的噪聲外，還由于電流中的高次諧波分量，在定轉(zhuǎn)子氣產(chǎn)生諧波磁場，也會產(chǎn)生不均勻的力矩，造成振動而產(chǎn)生噪聲。由于電磁噪聲在電機總噪聲中所占的份量不大，所以在電機的設(shè)計和制造中往往不針對性地減少電磁噪聲來采取措施。但對限止噪聲有過高的要求時（如空調(diào)水泵電機等一些用于室內(nèi)電氣且噪音要求比較高的場合），并在空氣噪聲、機械噪聲已取得有效的抑制的情況下，可采用轉(zhuǎn)子斜槽、增大定轉(zhuǎn)子氣隙以及降低磁通密度等措施來減小電磁噪聲。2、電機噪聲的表征電機噪音的物理度量有聲壓級、聲功率級和A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)聲功率級。雖然聲功率級不能用儀器直接測出，但由于聲功率反映了電機所產(chǎn)生的噪聲大小，故目前國際標準都采用聲功率級Lw為衡量噪聲大小的參數(shù)。