电机噪声的来源
mouser 2021-09-16

电机噪声主要来自三个方面,即空气噪声、机械噪声和电磁噪声,但有时也会将电路内部噪声列入噪声源之一。电路内部噪声主要来自电路自励、电源哼声以及电路元件中的电子流起伏变化和自由电子的热运动。

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1.空气噪声

空气噪声主要由于风扇转动,使空气流动、撞击、摩擦而产生。噪声大小决定于风扇大小、形状、电机转速高低和风阻风路等情况。

空气噪声的基本频率

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其中,N——风扇叶片数;n——电机转速(RPM)。

风扇直径越大,噪声越大,减小风扇直径10%,可以减小噪声2—3dB。但随之冷量也会减少。当风叶边缘与通风室的间隙过小,就会产生笛声(似吹笛声)。如果风叶形状与风扇的结构不合理,造成涡流,同样也会产生噪声。由于风扇刚度不够,受气流撞击时发生振动,也会增加噪声。此外,转于有凸出部分,也会引起噪声。

针对以上产生空气噪声的原因,则下列措施有助于减小空气噪声:

合理地设计风扇结构和风叶形状,避免产生涡流;保证风叶边缘与通风室有足够的间隙,在许可情况下,尽量缩小风扇直径;

在许可情况下,将气流转向后再吹(吸)出,可明显降低噪声,此在吸尘器中已有采用;

保证风路通畅,减小空气的撞击和摩擦。

如果从声源方面还不能控制通风噪声时,就要采用隔声或用消声的方法,还可以在定子径向风道口附近防置吸声材料。最简单也是最有效的隔声方法是用钢板、木板或塑料板制成的隔声罩,把整个电机包围起来,可降低噪声20分贝左右,当然这对整体散热是不利的,而且所占用的空间也比较大。

风叶的兜风角度对噪音影响较大,角度加大5到10度噪音可减少1到2db。

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2.机械噪声

空气噪声主要由于风扇转动,使空气流动、撞击、摩擦而产生。噪声大小决定于风扇大小、形状、电机转速高低和风阻风路等情况。

空气噪声的基本频率

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则滚珠的旋转频率

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式中:

dr——滚珠直径(mm)

d1——轴承内圈滚道的直径(mm)

d2——轴承外圈滚道的直径(mm)

保持架的旋转频率

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其中,N——风扇叶片数;n——电机转速(RPM)。

而轴承内外圈滚道中的波纹、凹坑、超糙度是引起噪声的主要原因。

试验表明,噪声声压级与滚动面的波纹高度和波纹数的乘积成正比。此外,径向游隙的大小,也影响噪声,减小径向游隙,可降低噪声,但是径向游隙小的轴承要求配用在两轴承室同心度高的机壳和端盖,并且对转子同轴度的要求提高。

同时润滑脂质量的优劣也是影响噪声的主要原因。噪声与润滑脂的粘度有关,试验表明,噪声随粘度增大而减小,但粘变增大到一定数值后,噪声反而增大,这是因为油膜对振动有援冲作用,粘度大、噪声低,但当粘度过大,转动时出现搅拌声。

安装误差对轴承噪声的影响。轴承的安装误差超过某一临界值会使轴承噪声急剧增大,而临界角随轴承径向游隙减小而减小。图一表示某单列内心轴承在不同径向游隙时安装误差角对噪声的关系。

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综上所述,为足够降低轴承噪声,则需要保证轴承内外圈滚道的精加工质量,在可能的情况下采用小的径向游隙,以及选用上好的润滑脂及合适的粘度,控制轴承工装误差角在临界角以下,同样可以降低滚动轴承的噪声。

在电机结构中采用波形弹簧对轴承外圈施加一个轴向预紧力,可以减消频率在400Hz左右的嗡嗡声。因为电机转动时,轴承由于没有预紧力的作用,轴承内的钢球处于自由状态就会发生自由振动,这种振动是随机的,而且它还可能与保持架、套圈等发生碰撞而产生附加噪声。如果用波形弹簧对轴承外圈增加一个预紧力,它适当地调整了轴承的,当有轴向分量时弹簧对其有阻尼作用而使振动减小,从而减弱钢珠的自由振动,从而削弱了附加的噪声。

用滑动轴承代替滚珠轴承是降低轴承噪声的最有效的办法,粉末冶金含油轴承以结构简单,造价低,噪声小,频谱均匀而且比较稳定,逐渐被引入到噪声要求低于40分贝以下的微电机。但这类轴承采用的多孔体结构,容易产生漏油现象,从而影响其润滑性,而且它的负荷能力比相同外径的滚动轴承要小一些,而且如果轴与轴承内孔表面精密度低、粗糙度大、孔隙率大,供油不足以及铁铜基石墨含油轴承中的游离渗碳比例过多,分布不均匀,造成个别硬点,也将产生某些高频噪声。

■ 转于不平衡引起的噪声:高转速电机的转子必须严格的进行动平衡校验,以减少转子残余不平衡量,转子不平衡噪声的频率等于转子旋转频率fa。虽然频率不高,一般在400Hz以下,但由于引起电机振动,从而使各部分的噪声增大。当转子的动平衡精度达到G 6.3级时,转子不平衡所引起的噪卢和振动都能显著地得到改善。

■ 碳刷与换向器摩擦所引起的噪声:由于电刷压在旋转的换向器上而产生摩擦噪声。一般电机大多采用半塑料换向器,换向器表面的圆度不好,片间云母因下刻而略下凹,从而使摩擦噪声增大,并使噪声的频率提高。换向器圆度不好以及换向片表面不平使噪声增大。

碳刷与换向器摩擦噪声的频率

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式中:k——换向片数

此外,碳刷座结构不够牢固,从而引起周期性振动也会使噪声增大。

综上所述,严格控制换向器的圆度,保证表面良好的光洁度和跳动,以及采用坚固牢靠的碳刷座结构,都能降低电刷和换向器摩擦所引起的噪声。

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3.电磁噪声

作用在电机定、转子空气隙中的交变电磁力会使电机定转子产生振动及噪声。由于气隙磁场不仅有基波而且还有一系列高次谐波存在,这些磁场相互作用将产生周期性的作用力,基波及高次谐波电磁力均会引起振动及噪声。电磁声频率分布大多在100-4000Hz之间。振动及噪声强度的大小与电磁力的大小和定子、转子刚度有关。当激发振动的电磁力与振动的零部件的自振频率相吻合时,将会产生共振,振动及噪声也将显著增加。电磁力有径向分量和切向分量,电磁力径向分量在引起电机振动及噪声方面起主要作用,它使定子铁心产生径向振动,径向振动产生的噪声为电机电磁噪声的主要成分。在采用单数槽转子冲片时,槽致噪声成为电磁噪声的最主要部分。电机运行过程中,单数槽的转子铁芯周期性地受到单边磁拉力的变化所产生的,其原因可通过图一来解释。

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在图二(a)中,上磁极极弧下覆盖三个转子槽,而下磁极极弧只覆盖两个转子槽,此时上部磁拉力大,下部磁拉力小,使定子铁芯有向上移动的趋势。当转子转动半个槽距后,则如图二(b)所示,此时下磁极极弧覆盖了三个转子槽,而上磁极极弦只覆盖了两个转子槽,此时的磁拉力情况起了变化,下部磁拉力大,上部磁拉力小,因此定子铁芯有向下移动的趋势。所以在转子旋转过程中,定子铁芯产生周期性的上下振动。同理,转子受到了周期性变化的单边磁拉力,从而引起转子振动。

采用双数槽转子时,不会发生上述情况,但转子旋转时槽位变化,在气隙中造成脉振磁场,也可能引起振动。

按照上面分析,所产生的电磁噪声频率

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式中:Z ——转子槽数

在电磁噪声中,除上述原因所产生的噪声外,还由于电流中的高次谐波分量,在定转子气产生谐波磁场,也会产生不均匀的力矩,造成振动而产生噪声。

由于电磁噪声在电机总噪声中所占的份量不大,所以在电机的设计和制造中往往不针对性地减少电磁噪声来采取措施。但对限止噪声有过高的要求时(如空调水泵电机等一些用于室内电气且噪音要求比较高的场合),并在空气噪声、机械噪声已取得有效的抑制的情况下,可采用转子斜槽、增大定转子气隙以及降低磁通密度等措施来减小电磁噪声。 

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