智能晾衣机电机噪声的分析与研究

周 亮

（广东好太太科技集团股份有限公司 广州 511434）

引言

近年由于智能家居行业的兴起，而永磁直流电机有着效率高、体积小、控制简单等优势，它广泛地被用作智能家居产品的驱动元件。永磁直流电机的定子上有永磁体主磁极和电刷，转子上有电枢绕组和换向器，电枢绕组通入电流生成磁场，定子主磁极磁场与电枢磁场相互作用产生电磁转矩，使转子旋转带动负载。它在提供动力的同时，也带来了振动与噪声问题。噪声干扰人们之间的交谈，使人的思维能力降低，影响睡眠质量。长期处在噪声大的环境里，不仅使耳朵有痛感，还会使听觉受到损害，严重时会晕厥和引起重大疾病[1]。要生产低噪声电机，必须首先研究降低电机噪声的方法。

1 噪声机理分析

电机中的噪声有电磁、机械摩擦、通风噪声三大类，本文产品所用电机无通风散热结构，故重点论述电磁与机械摩擦噪声。

1.1 电磁噪声机理分析

1）定、转子间的电磁力作用，产生脉动力或旋转力波，激励电机结构引起振动而产生噪声，这中噪声被称之为电磁噪声。它与气隙中的谐波磁场及电磁力波幅值、频率和极数，以及定子的振动特性，如机械阻抗、固有频率、阻尼均有关联，另外跟定子的声学性能有一定的关系。它主要由设计的电磁与结构参数及装配工艺决定。直流电机中由径向力波引起的振动和噪声频率为转子旋转齿频，其计算公式如下〔1〕：

式中：

f—频率，单位为赫兹；

Z2—转子槽数；

n—转速，单位为转/分；

ωr—转子的旋转角速度，单位为弧度/秒；

k—为正整数。

2）气隙动态偏心，由于转子圆度、转轴直线度和转子装配工艺、加工产生不同心等因素造成的，电机在工作时，转子转动，其偏心位置在不断变化，导致旋转频率的单边磁拉力而产生噪声。

3）转子电枢绕组导通故障。由于转子电枢绕组导通故障电动机在运转时每极产生地磁场大小不一样，转子径向受力大小不均衡，其表现特征与转子不平衡相似。可通过电枢综合检测仪检出。

电磁噪声有以下几种解决措施：

1）合理的电磁结构

在直流电动机中，负载运行时电枢反应使气隙磁场畸变，磁极下两边磁通的大小差异，导致单边气隙磁拉力不一样，换向恶化。为了抵消换向极产生的磁场和正交轴电枢的反作用磁场，在主磁极之间装上换向极，从而改善换向。对换向不良带来的噪声也会有所改善。但在永磁电动机中，永磁材料本身的磁阻比较大。永磁体磁瓦作为定子主磁极可以提供稳定的磁通，其磁势大小稳定不变，很难做出有效补偿对空载或负载电枢反应，换向不良引起的噪声故难以降低。

在永磁直流电动机中，定子磁极对转子电枢的齿槽效应不止对输出转矩性能有影响，对噪声和振动也有影响。设计成偏心气隙和人字形磁瓦能有效解决齿槽效应。偏心气隙可以降低电枢反应磁场，也可以减弱齿槽效应引起的振动噪声。它能让气隙磁密大小发生改变，可以让磁极的齿槽变成逐步进入，削减了磁瓦对齿槽间气隙磁密的骤变。人字型磁瓦也是为了让齿槽逐渐地进入磁瓦，一个齿距t 作为过渡部分长度（如图1 所示），改善电磁噪声有明显地效果。

图1 人字型磁瓦

非均匀气隙设计方案能有效降低电磁振动与噪声。均匀和两种非均匀气隙在空、负载时的电枢反应如图2所示。图2（b）是偏心气隙，气隙长度从磁瓦中心线至极尖处连续平滑变大，电枢反应导致地气隙磁场畸变得以有效抑制，对换向有益。图2（c）是磁瓦尖部削角而其余部分气隙均匀地情况，圆弧两端各约五分之一长变成直线，试验证明两种情况有效地抑制了电枢反应，偏心气隙对调速有利，但平均气隙磁密较低，而削角气隙相比较好。

图2 气隙磁密分布图

2）改变电动机结构件的固有频率与电磁激振力频率

电磁振动噪声是电机共振的主要原因之首，通过改变电动机零部件固有频率与结构外，改变电枢齿数也能解决共振问题。电动机存在着很多固有频率，分析复杂困难，共振难以完全消除，尽可能避免定子和转子的固有振动频率和电磁激振力的频率相等或接近[2]，固有振动频率特性分析可以参考陈世坤所著的《电机设计》，这里不做具体讲解。

3）小齿距多槽和斜槽设计

在电枢直径设计不变的条件下，确定电动机槽数要从绕线方法、绕组是否对称以及电动机效率方面去考虑。槽数增加一槽，换向片随之增多，片间距变窄，换向片面积变小，主磁场对换向元件的干扰变弱，片间压降小，齿谐波磁密变小，电磁振动噪声、换向器元件中的合成电势都相应减小，每极磁通减小，电枢长度减短。在电动机效率符合设计标准前提下，多槽设计不仅能降低电磁振动噪声，还能带来其它益处。永磁直流电机电枢采用斜槽也可以明显地降低电磁振动。斜槽可大幅度地抑制径向力波和弯曲力矩，降低齿谐波，减小地倍数为斜槽系数。斜槽一般斜一个齿距。斜槽和不均匀气隙搭配使用是解决直流电机电磁振动和噪声的有效策略[3]。

1.2 机械噪声机理分析

机械噪声是电机运转时，由于机械结构上的不平衡或撞击、摩擦等原因引起电机部件振动而产生的。它包含轴承噪声、转动振动噪声、零部件共振噪声与电刷与换向器摩擦噪声等。使用滚动轴承的小型电动机的轴承噪声比较突出，电刷与换向器摩擦噪声是直流电机的主要噪声。主要由四个方面的原因引起机械振动和噪声：

1）转子不平衡

由于不对称的结构，厚度不均匀的材料或制造加工的误差等因素，而造成转子机械上的不平衡，就会使转子的重心对中心线产生偏离，有不平衡的离心力产生，电机在离心力的作用下发生振动噪声。

转子在制造过程中出现不平衡的因素主要有以下几点：

① 转子铁芯单片厚度不一致，初始平衡量大；

② 轴与铁芯过盈量大，压轴时导致轴弯曲；

③ 绕线张紧力不够；导致线圈松散；

④ 排线不良；

⑤ 漆包线质量问题。

根据以上不良的主要因素，可采用以下措施：① 测量转子铁芯各个尺寸是否符合设计要求；

② 铁芯是否有落料形变的问题，在尖角位置是否由很大的冲压毛刺；

③ 硅钢带料厚薄程度是否均匀，确保叠压后转子铁芯厚度差异小，它将影响转子绕组线圈的大小，使得转子初始平衡量变大。硅钢片带料一般两边薄中间厚，可采取错片叠压法，避免两端不平行。

④ 定期检查与保养绕线设备，张力器的压头是否平行压线，滑轮转动是否良好。

⑤ 检查漆包线线径是否一致、是否光滑、软硬程度有无不同；

2）电刷与换向器摩擦因素

换向器表面的径向跳动量与片间绝缘槽宽度，电刷和刷盒间的配合间隙过大，电刷弹簧压力小或压力施加位置不当使电刷位置偏移以及刷盒、刷座、刷臂刚度不够等结构和工艺方面的因素所产生的。这种噪声常常是具有与换向片数成倍数的多个单频成分。

式中：

C—正整数，1，2，3……；

K—换向片片数；

n—转子转速，r/min。

电动机在运转时，电刷与换向器构成滑动摩擦，必然会产生噪声，这种噪声的大小与换向器表面粗糙度、电刷的材质、空气的绝对湿度与电刷弹簧压力等有关，在换向器表面形成良好的氧化膜和电刷工作状态下，摩擦噪声会变小，电刷与换向器的磨损量也会小[4]。

与电刷摩擦有关的因素及降噪办法：

① 换向器表面绝不能有铜屑、尖角等出现；

② 提高转子动平衡精度等级；

③ 合适的电刷和刷盒配合间隙，尤其是切向。一般要求控制在（0.05～0.1）mm，最多0.2 mm；

④ 换向片材料选用镉铜，电刷要适当软一些；

⑤ 减小电刷与换向器接触面积或生产增加负载测试工序，加速换向器表面形成正常氧化膜，使噪声降低。3）零部件的加工工艺

零部件制造工艺依据材料性能和生产厂家加工设备，加工水平等去确定工艺方案。它也是影响振动噪声的重要因素，主要体现在以下几个方面：

① 定、转子之间的同心度受轴承与轴承装配位置的加工精度影响，会使气隙大小不一样，相应也会带来电磁振动噪声问题。因此对轴承、轴承装配位的加工工序要作为关键控制点。

② 转子轴直线度因素造成的不平衡，其表现现象与转子动平衡不良一样。可以用百分表测转子铁芯表面跳动，通过校直转轴解决振动噪声问题。

③ 换向器表面车削质量对电动机噪声的影响。一般换向器表面车削要求为：粗糙度Ra=（0.8～1.6）μm；全跳动≤0.01 mm。主要的影响因素有：轴的圆度和直线度；换向器车削工艺；换向器本身的质量；碰焊给换向器带来的影响。碰焊过程等同于退火过程，当碰焊电流过大时，发热量也会大，热量会扩散到换向器表面，发热越大，退火范围与深度越大。车削该换向器时，离碰焊处越远，换向器其表面车削质量越好，反之越差。不规则的换向器外径不仅带来噪声而且会导致电刷的不规则磨损，影响电动机的使用寿命。

4）轴承与电机装配不当引起的振动噪声

① 轴承径向游隙的大小。轴承装配后，轴承内、外圈与轴及轴承室的配合公差，使轴承产生径向压力，使得游隙变小，故有装配后的一个工作游隙值。当工作游隙为10 μm 左右时是最佳值。过大会使振动加大，过小则使噪声加大。

② 轴向位移。由于定、转子之间存在电磁力作用，斜槽时有轴向电磁力分力，电机运行时转子会有一些轴向位移。就会出现忽大忽小的低频“嗡嗡”声。可以在轴承室内增加波浪垫片或调整转子与定子的磁场中心

③ 轴承装配。轴承装配工艺对电机噪声影响甚大，可相差（4～9）dB（A）。注意装配时的清洁度，不能混入铁屑、细砂、灰尘等异物。轴承放入轴承室可用定位工装将其压入，切忌暴力锤打。除此之外，保证电机同心度的各尺寸精度也要符合设计要求，不然转子斜歪也会使轴承的工作游隙发生变化[5]。

2 解决方法及试验验证

2.1 原因分析

以某款智能晾衣机产品所用的永磁直流电机在开发中遇到噪声问题为例。电机的主要技术参数见表1。该电机在装入产品做可靠性测试时发现噪声偏大，经初步判断，噪声源自电机。于是对其进行噪声检测及分析，在该电机机壳上装置一个加速度传感器获取数字信号并处理，提取信号数据，处理振动信号得出频谱分析图。图3 为该电机噪声声功率级图。可以明显看出该电机噪声的声功率大于50 dB，同时听到电机有沙沙的声音，其噪声值超出了升降行业的标准。

表1 电机技术参数表

图3 电机噪声声功率级

由FFT 计算得出电机的频谱图如图4 所示，从图中可以看出f=50 Hz 和f=270 Hz 两处有明显峰值，而在频谱图中并没有出现明显峰值。根据换向器与电刷摩擦振动的频率计算公式，

图4 电机噪声频谱图

式中：

C—正整数，1，2，3……；

K—换向片片数；

n—转子转速，r/min。

将该电机参数输入公式计算得出其振动频率为290 Hz，接近振动频率270 Hz，可以确定该电机噪声来自电刷与换向器摩擦。

然后拆解该电机做进一步分析，分别检测了换向器跳动、表面粗糙度及转子不平衡量，其数据均在设计范围内，见表2、图5。

表2 检测数据

图5 换向器检测图

2.2 解决方案

基于以上分析结果，排除了换向器表面加工粗糙度、跳动及转子动平衡不良等因素。于是从更改电刷结构设计着手，得出三种不同形状的电刷设计方案，分别是图6（a）弧面电刷、图6（b）锯齿电刷、图6（c）斜面电刷，电刷材质不更改。

图6 不同形状电刷示意图

2.3 测试验证

以上三种方案的电刷各装5 台样机并测试其噪声。从图7 数据对比及图8 噪声声功率级可以看出，用斜面电刷电机的噪声值在40 dB（A）左右，斜面电刷电机的噪声值明显优于其它两种方案。改变电刷与换向器接触面积，在换向器表面快速形成氧化膜能有效降低电机噪声。同时斜面电刷验证其寿命也能符合产品要求。

图7 三种不同形状电刷噪声值对比

图8 斜面电刷噪声声功率级

3 结束语

本文分析了永磁直流电机电磁噪声与机械噪声产生的一些原因并提出了相应的改善措施。基于理论分析，提出了一种斜面电刷结构去降低电机噪声的方案，通过验证对比分析斜面电刷对降低噪声有着显著的效果，该款智能晾衣机也赢得市场较好的口碑。降低噪声还有其它方式方法，对开发与制造过程要把好关之外，还要对电机噪声检测、诊断和辨别技术熟练掌握，方能采取有效的措施去改善噪声。