有刷直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)工作噪聲分析及研究

朱靜

摘 ? 要：有刷直流電機(jī)的噪聲主要來自電磁振動(dòng)噪聲及電刷摩擦噪聲。文章利用了數(shù)值計(jì)算有限元方法，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)建立了有限元模型，優(yōu)化了定子軸系的固有頻率，減弱了共振效應(yīng)，改善了噪聲。

關(guān)鍵詞：有刷電機(jī);噪聲;有限元方法

隨著汽車行業(yè)競爭越來越激烈，尤其是對(duì)低成本設(shè)計(jì)要求，有刷直流電機(jī)由于成本低、控制簡單，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。有刷直流電機(jī)的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉(zhuǎn)子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載[2]。有刷電機(jī)在提供動(dòng)力的同時(shí)，也帶來了振動(dòng)與噪聲的問題，汽車行業(yè)又是一個(gè)對(duì)噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（Noise，Vibration and Harshness，NVH）有著嚴(yán)苛要求的行業(yè)，向有刷電機(jī)的應(yīng)用提出了巨大的挑戰(zhàn)。本文以某主機(jī)廠有刷直流電機(jī)項(xiàng)目中的工作噪聲為背景，分析了噪聲產(chǎn)生的原因，通過有限元方法，建立了有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元模型，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)及固有頻率分析，最終改善了噪聲并達(dá)到了NVH要求。

1 ? ?有刷直流電機(jī)的噪聲機(jī)理分析

有刷直流電機(jī)噪聲來源主要有兩類：電刷摩擦振動(dòng)噪聲及電磁振動(dòng)噪聲。電刷的摩擦振動(dòng)噪聲是由于換向器跟碳刷接觸，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中接觸摩擦而產(chǎn)生的噪聲。碳刷材料的配方在此類噪聲產(chǎn)生的環(huán)節(jié)方面起到?jīng)Q定性作用。目前，各大電機(jī)公司都致力于碳刷材料的配方研究。

電磁噪聲是電機(jī)噪聲的組成部分，它通過磁軛向外傳播[3]。氣隙磁波作用在定子上，產(chǎn)生徑向和切向磁力兩個(gè)分量。使定子產(chǎn)生振動(dòng)變形的徑向分量是電磁噪聲的主要來源，使定子齒彎曲產(chǎn)生局部變形的切向分量是電磁噪聲的次要來源。當(dāng)徑向電磁力波與定子的固有頻率接近時(shí)，就會(huì)引起共振，使振動(dòng)與噪聲大大增強(qiáng)。

3件樣件的噪聲測(cè)試結(jié)果如圖1所示。在1 000 Hz左右，噪聲明顯，通過更換不同類型的碳刷，電機(jī)仍然產(chǎn)生了此頻率的噪聲，由此推斷噪聲來源于轉(zhuǎn)子的共振。固有頻率可利用數(shù)值計(jì)算有限元方法實(shí)現(xiàn)，即有限元里面的模態(tài)分析方法。模態(tài)分析是將線性時(shí)不變系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，坐標(biāo)變換的變換矩陣為振型矩陣，每列即為各階振型。

2 ? ?轉(zhuǎn)子軸系及有限元模型

有限元方法是將連續(xù)的幾何體劃分為離散的單元體，將單元賦予對(duì)應(yīng)的材料屬性，如彈性模量、泊松比、密度等特性，利用數(shù)值計(jì)算方法，計(jì)算所要得到的結(jié)果[4]。某有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，包含軸承、換向器、電樞片疊組、軸等如圖2所示，其中繞線部分用等效的實(shí)體代替。主要的材料屬性如表1所示。

對(duì)幾何體進(jìn)行網(wǎng)格劃分可得到網(wǎng)格模型，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際工作情況，在軸承表面施加固定約束邊界條件，如圖3所示。

3 ? ?模態(tài)分析結(jié)果及噪聲改善

根據(jù)模態(tài)分析可以得到第一階彎曲固有頻率，如圖4所示。第一階彎曲振型的固有頻率為985 Hz，與圖1中測(cè)試的峰值相吻合，再次證明了共振是產(chǎn)生此噪聲的原因。考慮到優(yōu)化方案的成本及可實(shí)施的簡便性，通過增加主軸的直徑來增加第一階彎曲振型的固有頻率。將軸的直徑增加5 mm，計(jì)算固有頻率得到第一階彎曲振型的固有頻率為1 100 Hz。并且通過樣件測(cè)試驗(yàn)證，噪聲問題得到了解決，達(dá)到了要求。圖5為測(cè)試結(jié)果，表示出了改善前的測(cè)試結(jié)果，可看出圖2件改善后的樣件測(cè)試結(jié)果。

4 ? ?結(jié)語

文章通過測(cè)試分析與有限元方法模態(tài)分析相結(jié)合的方法，通過一定的簡化模型，建立了轉(zhuǎn)子軸系的有限元模型，基于此模型進(jìn)行優(yōu)化分析，成功解決了某電機(jī)的振動(dòng)噪聲問題，具有很大的工程價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳永校.電機(jī)噪聲的分析和控制[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1987.

[2]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]趙玫.動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)與噪聲學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[4]李景湧.有限元法[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，1999.