智能晾衣機電機噪聲的分析與研究

周 亮

（廣東好太太科技集團股份有限公司 廣州 511434）

引言

近年由于智能家居行業的興起，而永磁直流電機有著效率高、體積小、控制簡單等優勢，它廣泛地被用作智能家居產品的驅動元件。永磁直流電機的定子上有永磁體主磁極和電刷，轉子上有電樞繞組和換向器，電樞繞組通入電流生成磁場，定子主磁極磁場與電樞磁場相互作用產生電磁轉矩，使轉子旋轉帶動負載。它在提供動力的同時，也帶來了振動與噪聲問題。噪聲干擾人們之間的交談，使人的思維能力降低，影響睡眠質量。長期處在噪聲大的環境里，不僅使耳朵有痛感，還會使聽覺受到損害，嚴重時會暈厥和引起重大疾病[1]。要生產低噪聲電機，必須首先研究降低電機噪聲的方法。

1 噪聲機理分析

電機中的噪聲有電磁、機械摩擦、通風噪聲三大類，本文產品所用電機無通風散熱結構，故重點論述電磁與機械摩擦噪聲。

1.1 電磁噪聲機理分析

1）定、轉子間的電磁力作用，產生脈動力或旋轉力波，激勵電機結構引起振動而產生噪聲，這中噪聲被稱之為電磁噪聲。它與氣隙中的諧波磁場及電磁力波幅值、頻率和極數，以及定子的振動特性，如機械阻抗、固有頻率、阻尼均有關聯，另外跟定子的聲學性能有一定的關系。它主要由設計的電磁與結構參數及裝配工藝決定。直流電機中由徑向力波引起的振動和噪聲頻率為轉子旋轉齒頻，其計算公式如下〔1〕：

式中：

f—頻率，單位為赫茲；

Z2—轉子槽數；

n—轉速，單位為轉/分；

ωr—轉子的旋轉角速度，單位為弧度/秒；

k—為正整數。

2）氣隙動態偏心，由于轉子圓度、轉軸直線度和轉子裝配工藝、加工產生不同心等因素造成的，電機在工作時，轉子轉動，其偏心位置在不斷變化，導致旋轉頻率的單邊磁拉力而產生噪聲。

3）轉子電樞繞組導通故障。由于轉子電樞繞組導通故障電動機在運轉時每極產生地磁場大小不一樣，轉子徑向受力大小不均衡，其表現特征與轉子不平衡相似。可通過電樞綜合檢測儀檢出。

電磁噪聲有以下幾種解決措施：

1）合理的電磁結構

在直流電動機中，負載運行時電樞反應使氣隙磁場畸變，磁極下兩邊磁通的大小差異，導致單邊氣隙磁拉力不一樣，換向惡化。為了抵消換向極產生的磁場和正交軸電樞的反作用磁場，在主磁極之間裝上換向極，從而改善換向。對換向不良帶來的噪聲也會有所改善。但在永磁電動機中，永磁材料本身的磁阻比較大。永磁體磁瓦作為定子主磁極可以提供穩定的磁通，其磁勢大小穩定不變，很難做出有效補償對空載或負載電樞反應，換向不良引起的噪聲故難以降低。

在永磁直流電動機中，定子磁極對轉子電樞的齒槽效應不止對輸出轉矩性能有影響，對噪聲和振動也有影響。設計成偏心氣隙和人字形磁瓦能有效解決齒槽效應。偏心氣隙可以降低電樞反應磁場，也可以減弱齒槽效應引起的振動噪聲。它能讓氣隙磁密大小發生改變，可以讓磁極的齒槽變成逐步進入，削減了磁瓦對齒槽間氣隙磁密的驟變。人字型磁瓦也是為了讓齒槽逐漸地進入磁瓦，一個齒距t 作為過渡部分長度（如圖1 所示），改善電磁噪聲有明顯地效果。

圖1 人字型磁瓦

非均勻氣隙設計方案能有效降低電磁振動與噪聲。均勻和兩種非均勻氣隙在空、負載時的電樞反應如圖2所示。圖2（b）是偏心氣隙，氣隙長度從磁瓦中心線至極尖處連續平滑變大，電樞反應導致地氣隙磁場畸變得以有效抑制，對換向有益。圖2（c）是磁瓦尖部削角而其余部分氣隙均勻地情況，圓弧兩端各約五分之一長變成直線，試驗證明兩種情況有效地抑制了電樞反應，偏心氣隙對調速有利，但平均氣隙磁密較低，而削角氣隙相比較好。

圖2 氣隙磁密分布圖

2）改變電動機結構件的固有頻率與電磁激振力頻率

電磁振動噪聲是電機共振的主要原因之首，通過改變電動機零部件固有頻率與結構外，改變電樞齒數也能解決共振問題。電動機存在著很多固有頻率，分析復雜困難，共振難以完全消除，盡可能避免定子和轉子的固有振動頻率和電磁激振力的頻率相等或接近[2]，固有振動頻率特性分析可以參考陳世坤所著的《電機設計》，這里不做具體講解。

3）小齒距多槽和斜槽設計

在電樞直徑設計不變的條件下，確定電動機槽數要從繞線方法、繞組是否對稱以及電動機效率方面去考慮。槽數增加一槽，換向片隨之增多，片間距變窄，換向片面積變小，主磁場對換向元件的干擾變弱，片間壓降小，齒諧波磁密變小，電磁振動噪聲、換向器元件中的合成電勢都相應減小，每極磁通減小，電樞長度減短。在電動機效率符合設計標準前提下，多槽設計不僅能降低電磁振動噪聲，還能帶來其它益處。永磁直流電機電樞采用斜槽也可以明顯地降低電磁振動。斜槽可大幅度地抑制徑向力波和彎曲力矩，降低齒諧波，減小地倍數為斜槽系數。斜槽一般斜一個齒距。斜槽和不均勻氣隙搭配使用是解決直流電機電磁振動和噪聲的有效策略[3]。

1.2 機械噪聲機理分析

機械噪聲是電機運轉時，由于機械結構上的不平衡或撞擊、摩擦等原因引起電機部件振動而產生的。它包含軸承噪聲、轉動振動噪聲、零部件共振噪聲與電刷與換向器摩擦噪聲等。使用滾動軸承的小型電動機的軸承噪聲比較突出，電刷與換向器摩擦噪聲是直流電機的主要噪聲。主要由四個方面的原因引起機械振動和噪聲：

1）轉子不平衡

由于不對稱的結構，厚度不均勻的材料或制造加工的誤差等因素，而造成轉子機械上的不平衡，就會使轉子的重心對中心線產生偏離，有不平衡的離心力產生，電機在離心力的作用下發生振動噪聲。

轉子在制造過程中出現不平衡的因素主要有以下幾點：

① 轉子鐵芯單片厚度不一致，初始平衡量大；

② 軸與鐵芯過盈量大，壓軸時導致軸彎曲；

③ 繞線張緊力不夠；導致線圈松散；

④ 排線不良；

⑤ 漆包線質量問題。

根據以上不良的主要因素，可采用以下措施：① 測量轉子鐵芯各個尺寸是否符合設計要求；

② 鐵芯是否有落料形變的問題，在尖角位置是否由很大的沖壓毛刺；

③ 硅鋼帶料厚薄程度是否均勻，確保疊壓后轉子鐵芯厚度差異小，它將影響轉子繞組線圈的大小，使得轉子初始平衡量變大。硅鋼片帶料一般兩邊薄中間厚，可采取錯片疊壓法，避免兩端不平行。

④ 定期檢查與保養繞線設備，張力器的壓頭是否平行壓線，滑輪轉動是否良好。

⑤ 檢查漆包線線徑是否一致、是否光滑、軟硬程度有無不同；

2）電刷與換向器摩擦因素

換向器表面的徑向跳動量與片間絕緣槽寬度，電刷和刷盒間的配合間隙過大，電刷彈簧壓力小或壓力施加位置不當使電刷位置偏移以及刷盒、刷座、刷臂剛度不夠等結構和工藝方面的因素所產生的。這種噪聲常常是具有與換向片數成倍數的多個單頻成分。

式中：

C—正整數，1，2，3……；

K—換向片片數；

n—轉子轉速，r/min。

電動機在運轉時，電刷與換向器構成滑動摩擦，必然會產生噪聲，這種噪聲的大小與換向器表面粗糙度、電刷的材質、空氣的絕對濕度與電刷彈簧壓力等有關，在換向器表面形成良好的氧化膜和電刷工作狀態下，摩擦噪聲會變小，電刷與換向器的磨損量也會小[4]。

與電刷摩擦有關的因素及降噪辦法：

① 換向器表面絕不能有銅屑、尖角等出現；

② 提高轉子動平衡精度等級；

③ 合適的電刷和刷盒配合間隙，尤其是切向。一般要求控制在（0.05～0.1）mm，最多0.2 mm；

④ 換向片材料選用鎘銅，電刷要適當軟一些；

⑤ 減小電刷與換向器接觸面積或生產增加負載測試工序，加速換向器表面形成正常氧化膜，使噪聲降低。3）零部件的加工工藝

零部件制造工藝依據材料性能和生產廠家加工設備，加工水平等去確定工藝方案。它也是影響振動噪聲的重要因素，主要體現在以下幾個方面：

① 定、轉子之間的同心度受軸承與軸承裝配位置的加工精度影響，會使氣隙大小不一樣，相應也會帶來電磁振動噪聲問題。因此對軸承、軸承裝配位的加工工序要作為關鍵控制點。

② 轉子軸直線度因素造成的不平衡，其表現現象與轉子動平衡不良一樣?？梢杂冒俜直頊y轉子鐵芯表面跳動，通過校直轉軸解決振動噪聲問題。

③ 換向器表面車削質量對電動機噪聲的影響。一般換向器表面車削要求為：粗糙度Ra=（0.8～1.6）μm；全跳動≤0.01 mm。主要的影響因素有：軸的圓度和直線度；換向器車削工藝；換向器本身的質量；碰焊給換向器帶來的影響。碰焊過程等同于退火過程，當碰焊電流過大時，發熱量也會大，熱量會擴散到換向器表面，發熱越大，退火范圍與深度越大。車削該換向器時，離碰焊處越遠，換向器其表面車削質量越好，反之越差。不規則的換向器外徑不僅帶來噪聲而且會導致電刷的不規則磨損，影響電動機的使用壽命。

4）軸承與電機裝配不當引起的振動噪聲

① 軸承徑向游隙的大小。軸承裝配后，軸承內、外圈與軸及軸承室的配合公差，使軸承產生徑向壓力，使得游隙變小，故有裝配后的一個工作游隙值。當工作游隙為10 μm 左右時是最佳值。過大會使振動加大，過小則使噪聲加大。

② 軸向位移。由于定、轉子之間存在電磁力作用，斜槽時有軸向電磁力分力，電機運行時轉子會有一些軸向位移。就會出現忽大忽小的低頻“嗡嗡”聲?？梢栽谳S承室內增加波浪墊片或調整轉子與定子的磁場中心

③ 軸承裝配。軸承裝配工藝對電機噪聲影響甚大，可相差（4～9）dB（A）。注意裝配時的清潔度，不能混入鐵屑、細砂、灰塵等異物。軸承放入軸承室可用定位工裝將其壓入，切忌暴力錘打。除此之外，保證電機同心度的各尺寸精度也要符合設計要求，不然轉子斜歪也會使軸承的工作游隙發生變化[5]。

2 解決方法及試驗驗證

2.1 原因分析

以某款智能晾衣機產品所用的永磁直流電機在開發中遇到噪聲問題為例。電機的主要技術參數見表1。該電機在裝入產品做可靠性測試時發現噪聲偏大，經初步判斷，噪聲源自電機。于是對其進行噪聲檢測及分析，在該電機機殼上裝置一個加速度傳感器獲取數字信號并處理，提取信號數據，處理振動信號得出頻譜分析圖。圖3 為該電機噪聲聲功率級圖?？梢悦黠@看出該電機噪聲的聲功率大于50 dB，同時聽到電機有沙沙的聲音，其噪聲值超出了升降行業的標準。

表1 電機技術參數表

圖3 電機噪聲聲功率級

由FFT 計算得出電機的頻譜圖如圖4 所示，從圖中可以看出f=50 Hz 和f=270 Hz 兩處有明顯峰值，而在頻譜圖中并沒有出現明顯峰值。根據換向器與電刷摩擦振動的頻率計算公式，

圖4 電機噪聲頻譜圖

式中：

C—正整數，1，2，3……；

K—換向片片數；

n—轉子轉速，r/min。

將該電機參數輸入公式計算得出其振動頻率為290 Hz，接近振動頻率270 Hz，可以確定該電機噪聲來自電刷與換向器摩擦。

然后拆解該電機做進一步分析，分別檢測了換向器跳動、表面粗糙度及轉子不平衡量，其數據均在設計范圍內，見表2、圖5。

表2 檢測數據

圖5 換向器檢測圖

2.2 解決方案

基于以上分析結果，排除了換向器表面加工粗糙度、跳動及轉子動平衡不良等因素。于是從更改電刷結構設計著手，得出三種不同形狀的電刷設計方案，分別是圖6（a）弧面電刷、圖6（b）鋸齒電刷、圖6（c）斜面電刷，電刷材質不更改。

圖6 不同形狀電刷示意圖

2.3 測試驗證

以上三種方案的電刷各裝5 臺樣機并測試其噪聲。從圖7 數據對比及圖8 噪聲聲功率級可以看出，用斜面電刷電機的噪聲值在40 dB（A）左右，斜面電刷電機的噪聲值明顯優于其它兩種方案。改變電刷與換向器接觸面積，在換向器表面快速形成氧化膜能有效降低電機噪聲。同時斜面電刷驗證其壽命也能符合產品要求。

圖7 三種不同形狀電刷噪聲值對比

圖8 斜面電刷噪聲聲功率級

3 結束語

本文分析了永磁直流電機電磁噪聲與機械噪聲產生的一些原因并提出了相應的改善措施?；诶碚摲治觯岢隽艘环N斜面電刷結構去降低電機噪聲的方案，通過驗證對比分析斜面電刷對降低噪聲有著顯著的效果，該款智能晾衣機也贏得市場較好的口碑。降低噪聲還有其它方式方法，對開發與制造過程要把好關之外，還要對電機噪聲檢測、診斷和辨別技術熟練掌握，方能采取有效的措施去改善噪聲。