地铁车辆牵引电机装车噪声性能测试及分析

魏超 邵正武

摘要：噪声指标是轨道车辆和汽车等交通工具舒适性指标中非常重要的一项，随着人们对交通工具舒适性的持续关注和要求的不断提高，噪声问题也越来越受到重视。噪声会影响人们正常的交谈、休息，降低人的思维能力，使人疲劳，引起乘客反感甚至投诉。牵引电机是车辆的动力设备，其工作噪声也是车辆噪声的主要来源，因此有必要对其进行深入研究和严格控制。本文基于地铁车辆牵引电机装车噪声性能测试及分析展开论述。

关键词：地铁车辆;牵引电机;装车噪声性能测试及分析

现阶段牵引电机噪声抑制技术主要集中在两个方面。一个是通过电动机电磁侧面和结构侧面抑制噪音。通过电动机控制策略被抑制。电子从电动机主体的角度来看，电磁结构优化设计、复杂建模、设计转换成本高、相应的工程优化方法和原理尚不清楚;后者是从牵引电机控制的角度优化电流谐波的含量和分布。

一、电磁噪声

电机运行时，电磁力作用在定、转子间的气隙中，产生旋转力波或脉动力波，使定子发生振动而辐射噪声，该辐射噪声为电磁噪声。作用在定子上的电磁力可分离出径向分量和切向分量，切向分量使定子铁芯齿部局部振动，径向分量使定子铁芯产生径向振动，径向振动是引起电机电磁噪声的主要原因。永磁牵引电机的径向电磁力波计算如下：pn（θ，t）=b2（θ，t）/2μ0式中：pn（θ，t）为径向电磁力波;b（θ，t）为气隙磁密;μ0为真空磁导率，取值4π×10-7H/m。电机在工作过程中产生交变的径向电磁力波，定子铁芯受到该电磁力波的作用产生电磁振动，最终辐射到空气中，形成电磁噪声。电磁噪声具有明显的阶次特性，对于径向电磁力波为主的电磁噪声，其频率为基频2f0（f0为电源频率）和与基频对应的各次高阶频率。可以利用电磁噪声的该特性，分析噪声频谱中是否存在电磁噪声峰值频率，从而分析电磁噪声对总噪声的影响。

二、测试方案

车辆运行时，车底噪声主要包括轮轨、牵引电机、齿轮箱等引起的机械噪声、电磁噪声、气动噪声以及车底和车体表面气流激发的气动噪声等，噪声来源较多，成分复杂。为了解某款牵引电机在实际运行时的噪声性能，采用B&K42通道振动噪声测试分析系统，在车底靠近牵引电机位置处及车厢内距地板1.5m处布置传声器捕捉噪声信号，同时在牵引电机本体布置振动加速度传感器捕捉振动信号。

三、阶次分析

前面分析表明地铁车辆牵引电机振动噪声频谱特征与转速呈现倍频关系，一方面牵引电机在运行中由于转子转动切割磁力线而产生电磁振动噪声，另一方面牵引电机转子系统由于无法完全消除动不平衡、轴不对中等影响而产生机械振动噪声。为进一步了解牵引电机振动噪声与转速的关系，选择车辆启动时间较长的一个路段工况（有坡道）进行分析，提取牵引电机启动过程中的转速变化曲线，利用阶次分析11对车底和车厢噪声进行研究。提取1、2低阶次和噪声相对较明显的14、15阶次数据并与噪声总量级进行对比。可以看出无论是车底还是车厢噪声，牵引电机低阶的噪声量级小于高阶次，且均显著小于噪声总量级（10dB（A）以上），考虑到测试噪声数据不完全是牵引电机产生的，也包括其他噪声源数据，因此，阶次分析再次定性证明了牵引电机噪声对该车底和车厢内噪声贡献有限，不是主要噪声源的结论。

四、车辆牵引电机降噪措施研究

（一）降低电磁噪声的方法

本研究认为降低电磁噪声的主要途径有以下三个方面：（1）设计方面，在保证电机性能的前提下，对电机的风扇进行优化：采用叶片不均匀分布，避免风扇产生噪声频率的叠加，从而降低噪声;减小风扇扇叶外径，可以有效的降低噪声。从结构上不能将整周均进行拓展，但至少可以将出风角的部分扩大，进而达到减少排风阻力的目的。同时因狭窄处是噪音的发生源，因此堵上不能拓宽的横向排气孔。（2）生产制造、质量控制方面，采用专用带计数设备进行保证线圈匝数准确性。用专用涨型设备来保证线圈幾何尺寸一致性。三相绕组的直流电阻测量判断三相绕组值、电流是否平衡对称等。电机定子铁芯、端盖止口和轴承室等关键尺寸重点检查，保证装配后定、转子同心度进而保证气隙均匀避免偏心。转子铁心与转轴同心，保证气隙均匀避免偏心。

（二）牵引电机电磁噪声抑制策略

从车辆角度考虑牵引电动机电磁噪声抑制问题，只要增加车体隔声材料，加强车体的密封性能即可。对于马达本体，请在以下方面采取措施以降低噪音：（1）配合转子槽，因为不同槽中的组合马达会产生不同阶数的电磁波。（2）匹配、转子溜槽处理、斜顶能有效减弱谐波磁场引起的附加扭矩和电磁噪音;（3）绕组形式，合适的绕组节距可有效降低电流谐波含量和电磁波振幅;（4）气隙大小，适当增加气隙用于降低气隙磁场密度，同时提高制造精度（保证气隙磁场）的对称性，降低径向电磁波的振幅，从而降低电磁噪声。但是，这些电磁噪声抑制措施仅适用于车辆之前的设计阶段。在车辆应用过程中实施的话，改造周期长，成本高。本文主要从牵引电动机控制的角度讨论电动机电磁噪声的抑制，一个是抑制电流谐波，另一个是避免电流谐波引起的径向电磁力和牵引电动机的模态频率点引起的共振，在一定程度上可以更直接地实现噪声抑制效果。

（三）降低机械噪声的方法

降低机械噪声的主要措施如下：（1）采用密封轴承结构，防止杂物进入轴承室;（2）选择合适的轴承外圈与轴承室的配合、内圈与轴的配合，不宜太紧。保证轴承外圈与轴承室的配合在合适的游隙范围内;（3）确保电机转子的质量分布均匀，以及转子的制造与安装时的圆度和同心度合格。对转子包括风扇进行动平衡校正。

（四）降低空气动力噪声的方法

降低空气动力噪声的主要措施如下：（1）对散热良好或温升不高的电机可取消风扇，消除噪声源;（2）风扇设计厚薄均匀、无扭曲变形、间距均匀，且应校动平衡;（3）电机设计中尽量减少风道的障碍物，留有专用风道，采用流线形风道，风道的截面变化不要突然。

五、结束语

牵引电机是地铁车辆牵引系统的核心部件，也是车辆的重要噪声源，尤其是在车辆启动和制动过程中，不仅会通过结构振动传递引起车厢地板、壁板振动辐射噪声，还会由空气传播通过车体透射引起车内噪声。牵引电机电磁噪声由于其频谱具有离散性，往往表现为较尖锐刺耳，影响乘车舒适性，常常引起客户投诉，因此，牵引电机的噪声性能越来越受到关注。

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