電機的空氣噪聲、機械噪聲、電磁噪聲

2017-07-03  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

來源:文檔下載網,原題《電機振動與噪聲分析》

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部噪聲列入噪聲源之一。電路內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。

空氣噪聲的基本頻率fv:

其中,N——風扇葉片數;n——電機轉速(RPM)。

風扇直徑越大,噪聲越大,減小風扇直徑10%,可以減小噪聲2—3dB。但隨之冷量也會減少。當風葉邊緣與通風室的間隙過小,就會產生笛聲(似吹笛聲)。如果風葉形狀與風扇的結構不合理,造成渦流,同樣也會產生噪聲。由于風扇剛度不夠,受氣流撞擊時發生振動,也會增加噪聲。此外,轉于有凸出部分,也會引起噪聲。

針對以上產生空氣噪聲的原因,則下列措施有助于減小空氣噪聲:合理地設計風扇結構和風葉形狀,避免產生渦流;保證風葉邊緣與通風室有足夠的間隙,在許可情況下,盡量縮小風扇直徑;在許可情況下,將氣流轉向后再吹(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罩,把整個電機包圍起來,可降低噪聲20分貝左右,當然這對整體三熱是不利的,而且所占用的空間也比較的大。

風葉的兜風角度對噪音影響較大,角度加大5到10度噪音可減少1到2db.

軸承噪聲:滾動軸承由軸承內圈、滾珠、滾珠保持架和軸承外圈組成。軸承外圈不轉動,軸承內圈合轉子一起旋轉,而滾珠在軸承內圈的滾道和軸承外圈的滾道及保持架中滾動旋轉,保持架又被滾動旋轉著的滾珠帶動旋轉。所以軸承噪聲主要由下列頻率的噪聲組成。

轉子的旋轉頻率 :

則滾珠的旋轉頻率:

式中:

dr——滾珠直徑(mm)

d1——軸承內圈滾道的直徑(mm)

d2——軸承外圈滾道的直徑(mm)

保持架的旋轉頻率:

而軸承內外圈滾道中的波紋、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的乘積成正比。此外,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,并且對轉子同軸度的要求提高。

同時潤滑脂質量的優劣也是影響噪聲的主要原因。噪聲與潤滑脂的粘度有關,試驗表明,噪聲隨粘度增大而減小,但粘變增大到一定數值后,噪聲反而增大,這是因為油膜對振動有援沖作用,粘度大、噪聲低,但當粘度過大,轉動時出現攪拌聲。

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。圖一表示某單列內心軸承在不同徑向游隙時安裝誤差角對噪聲的關系。

綜上所述,為足夠降低軸承噪聲,則需要保證軸承內外圈滾道的精加工質量,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。

在電機結構中采用波形彈簧對軸承外圈施加一個軸向預緊力,可以減消頻率在400Hz左右的嗡嗡聲。因為電機轉動時,軸承由于沒有預緊力的作用,軸承內的鋼球處于自由狀態就會發生自由振動,這種振動是隨機的,而且它還可能與保持架、套圈等發生碰撞而產生附加噪聲。如果用波形彈簧對軸承外圈增加一個預緊力,它適當地調整了軸承的,當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構簡單,造價低,噪聲小,頻譜均勻而且比較穩定,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構,容易產生漏油現象,從而影響其潤滑性,而且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,也將產生某些高頻噪聲。

轉于不平衡引起的噪聲:高轉速電機的轉子必須嚴格的進行動平衡校驗,以減少轉子殘余不平衡量,轉子不平衡噪聲的頻率等于轉子旋轉頻率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。當轉子的動平衡精度達到G 6.3級時,轉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:由于電刷壓在旋轉的換向器上而產生摩擦噪聲。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:

式中:k——換向片數

此外,碳刷座結構不夠牢固,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構,都能降低電刷和換向器摩擦所引起的噪聲。

作用在電機定、轉子空氣隙中的交變電磁力會使電機定轉子產生振動及噪聲。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、轉子剛度有關。當激發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,它使定子鐵心產生徑向振動,徑向振動產生的噪聲為電機電磁噪聲的主要成分。在采用單數槽轉子沖片時,槽致噪聲成為電磁噪聲的最主要部分。電機運行過程中,單數槽的轉子鐵芯周期性地受到單邊磁拉力的變化所產生的,其原因可通過圖一來解釋。

在圖二(a)中,上磁極極弧下覆蓋三個轉子槽,而下磁極極弧只覆蓋兩個轉子槽,此時上部磁拉力大,下部磁拉力小,使定子鐵芯有向上移動的趨勢。當轉子轉動半個槽距后,則如圖二(b)所示,此時下磁極極弧覆蓋了三個轉子槽,而上磁極極弦只覆蓋了兩個轉子槽,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。所以在轉子旋轉過程中,定子鐵芯產生周期性的上下振動。同理,轉子受到了周期性變化的單邊磁拉力,從而引起轉子振動。

采用雙數槽轉子時,不會發生上述情況,但轉子旋轉時槽位變化,在氣隙中造成脈振磁場,也可能引起振動。

按照上面分析,所產生的電磁噪聲頻率:

式中:Z ——轉子槽數

在電磁噪聲中,除上述原因所產生的噪聲外,還由于電流中的高次諧波分量,在定轉子氣產生諧波磁場,也會產生不均勻的力矩,造成振動而產生噪聲。

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(如空調水泵電機等一些用于室內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,可采用轉子斜槽、增大定轉子氣隙以及降低磁通密度等措施來減小電磁噪聲。

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