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分析 | 电机振动噪声的产生以及控制：振动和噪声的源起
吴湛
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前言
在电驱动系统中，电机、控制器引起的振动和噪声问题变得愈加显著。新能源汽车上，电机驱动系统的噪声更加显著。中高频段上，整车噪声基本由电机、驱动系统、电控系统所主导，影响车内声品质。这些问题，正在逐渐成为，整车厂、电机厂商以及电控系统供应商亟待解决的棘手问题。当前将电磁、结构有限元分析流程有效结合起来，为电机的电磁、PWM(脉宽调制)、机械及NVH性能优化提供了一个完整的虚拟仿真过程及数据分析功能。
为了搞清楚电机的振动和噪声产生的原因和机理，在随后的文章中对其进行阐述。
先从电机的噪声说起，电机噪声根据其产生机理的不同，大致可分为三类：电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声
1、电磁噪声
电磁噪声来源于电磁振动，电磁振动由电机气隙磁场作用于电机铁心产生的电磁力所激发，而电机气隙磁场又决定于定转子绕组磁动势和气隙磁导。气隙磁场产生的电磁力是一个旋转力波，有径向和切向两个分量。径向分量使定子和转子发生径向变形和周期性振动，是电磁噪声的主要来源；切向分量是与电磁转矩相对应的作用力矩，它使齿对其根部弯曲，并产生局部振动变形，是电磁噪声的一个次要来源。还有很多设计和故障原因，也会造成电磁噪声的增加，例如：铁心饱和的影响；电网中的谐波分量；异步电动机断条；装配气隙不均匀等等。电磁噪声的大小与电机气隙内的谐波磁场及由此产生的力波的幅值、频率和磁极数有关，也同定子的固有频率、阻尼系数等密切相关。
2、机械噪声
电机运转部分的摩擦、撞击、不平衡以及结构共振形成机械噪声，主要是轴承和换向引起的。电机轴承在繁重的工作状态下运转时，滚珠和外圈滚道相接处会发生弹性变形。滚道变形随接触处的变化呈周期性变化，产生振动和噪声。轴承装机后，内外圈的配合及轴承游隙对电机噪声也有一定的影响。换向噪声在有滑环和换向器的电机中是不可避免的。换向噪声有三种原因引起：
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摩擦噪声。电刷与滑环和换向器的滑动连接处产生摩擦噪声，其大小与滑环和换向器表面状态、电刷的摩擦系数、电刷压力以及空气的绝对湿度有关。
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撞击噪声。由于换向器变形，云母沟工艺不好，电刷在电机旋转时周期性的撞击换向片从而产生噪声。
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火花噪声。由电刷和换向器或滑环接触导电过程中产生的火花引起。
3、空气动力噪声
产生这种噪声的根本原因是电机通风系统中气流压力的局部迅速变化和随时间的急剧脉动，以及通风气流与电机风路管道的摩擦。
这种噪声通常直接从气流中辐射出去。电机的空气动力噪声主要包括：
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旋转噪声:风扇高速旋转时，空气质点受到风叶周期性力的作用，产生压力脉动，就产生了旋转噪声。
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涡流噪声:在电机旋转过程中，转子表面上的突出物会影响气流。由于粘滞力的作用，气流分裂成一系列分立的小涡流，这种涡流之间的分裂使空气扰动，形成压缩与稀疏过程，从而产生噪声。
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笛声:气流遇障碍物发生干扰时会产生单一频率的笛声，随转动部件和固定部件之间气隙的减小而增强。
通常在封闭式的电机中噪声的形成不仅与机壳振动强度有关，而且还与声源的大小和辐射的波长之间的关系有关，以及辐射表面的波节线分布情况有关，如果波长大于噪声源的尺寸，那么随着辐射体尺寸的增加，辐射声强也增大。在电机的振动噪声中有两个特点特别重要，往往只要加以适当的改进，就可以取得明显的防振降噪效果。一是转子的平衡，电机转子的不平衡能产生显著的振动，而是电机的安装和连接，电机的安装与连接好坏可以大大改变电机本身和与之相连的元件的振动噪声情况。
▪ 目前世界各国对电机振动和噪声研究主要集中在电磁力波的研究，定子振动特性及声学特性研究，轴承和电刷的制造和装配工艺，冷却风扇的合理设计和选用，主要采用吸、隔、消的方法与措施。
振动是噪声的来源，电机的振动与传统发动机的振动形式不同，原理也不尽相同，因此对汽车动力总成的影响也不同，电机的振动噪声对车辆的吸声和隔声要求与传统车不同，动力总成悬置的设计也不同。对振动的控制要从了解电机的特性本身基础上进行控制。
人体对振动的灵敏度取决于振动频率，人体对振动最敏感的频率范围是2-20Hz，在这个频率范围内感觉域是0.003g,不快域是0.05g，不可忍域是0.5g，电机的振动波形式不是单一的正弦波，而是由许多不同频率成分的波形成。
电动机产生振动，会使绕组绝缘和轴承寿命缩短，影响滑动轴承的正常润滑，振动力促使绝缘缝隙扩大，使外界粉尘和水分入侵其中，造成绝缘电阻降低和泄露电流增大，甚至形成绝缘击穿等事故。另外，电动机产生振动，又容易使冷却器水管振裂，焊接点振开，同时会造成负载机械的损伤，降低工件精度，会造成所有遭到振动的机械部分的疲劳，会使地脚螺丝松动或断掉，电动机又会造成碳刷和滑环的异常磨损，甚至会出现严重刷火而烧毁集电环绝缘，电动机将产生很大噪音，这种情况一般在直流电机中也时有发生。
电动机振动的十个原因：
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转子、耦合器、联轴器、传动轮（制动轮）不平衡引起的。
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铁心支架松动，斜键、销钉失效松动，转子绑扎不紧都会造成转动部分不平衡。
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联动部分轴系不对中，中心线不重合，定心不正确。这种故障产生的原因主要是安装过程中，对中不良、安装不当造成的。
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联动部分中心线在冷态时是重合一致的，但运行一段时间后由于转子支点，基础等变形，中心线又被破坏，因而产生振动。
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与电机相联的齿轮、联轴器有故障，齿轮咬合不良，轮齿磨损严重，对轮润滑不良，联轴器歪斜、错位，齿式联轴器齿形、齿距不对、间隙过大或磨损严重，都会造成一定的振动。
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电机本身结构的缺陷，轴颈椭圆，转轴弯曲，轴与轴瓦间间隙过大或过小，轴承座、基础板、地基的某部分乃至整个电机安装基础的刚度不够。
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安装的问题，电机与基础板之间固定不牢，底脚螺栓松动，轴承座与基础板之间松动等。
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轴与轴瓦间间隙过大或过小不仅可以造成振动还可使轴瓦的润滑和温度产生异常。
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电机拖动的负载传导振动，比如说电机拖动的风机、水泵振动，引起电机振动。
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交流电机定子接线错误、绕线型异步电动机转子绕组短路，同步电机励绕组匝间短路，同步电机励磁线圈联接错误，笼型异步电动机转子断条，转子铁心变形造成定、转子气隙不均，导致气隙磁通不平衡从而造成振动。
来源 | 易萌森戈CAE工作室
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