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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

2021-08-23 17:262000

  

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:


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。


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。


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:


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。


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。


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,二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。


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