咨詢熱線：
13322083322
如何有效的降低電機的噪聲
降低電機噪聲的探討黃 健 摘 要：主要分析了產生電機噪聲的幾個方面的因素，并提出了降低噪聲的相應措施。關鍵詞：電機；噪聲1 引言 噪聲是由物體的振動產生的，再通過空氣或其它彈性介質才能傳播到人的耳朵。它由很多雜亂無章的單調聲音混合而成。其中20Hz～20000Hz是人們耳朵可以聽到的頻率。低于20Hz的波叫次聲波，高于20000Hz的波叫超聲波。 噪聲直接影響人們的身體健康，太強或長時間噪聲，會使人十分痛苦、難受，甚至使人耳聾或死亡。噪聲是現代社會污染環境的三大公害之一。為了保障人民的身體健康，國際標準化組織（ISO）規定了人們容許噪聲的標準，如表1。表 1
每天最長工作時間（h） 8 4 2 -
噪聲 dB(A) 85 93 96 115(最大）
電機是產生噪聲的聲源之一，電機又在家庭、商業、辦公室以及工農醫等行業廣泛而大量地應用著，與人民的生活密切相關。隨著社會的進步，人們對污染環境的噪聲提出了越來越高的要求與限制，尤其對與人們密切接觸的家用電器更是如此。這方面，先進國家尤其重視。我國政府歷來重視人民的健康，對限制噪聲不遺余力。表2是我國產品標準規定的部分家用電器的噪聲限值。 表2 我國部分家用電器的噪聲限值 dB(A）
電冰箱（250升以下） 洗衣機 吸油煙機 電磁灶 吸塵器 洗衣機 鎮流器 空調器（2500W、分體式）
52 75 75 50 84 72 35 45
因此，盡量降低電機的噪聲，生產低噪聲的電機，給人們創造一個舒適、安靜的環境是每個設計者與生產者的職責。 2 電機噪聲的分類 根據電機噪聲產生的不同方式,大致可把其噪聲分為三大類: ①電磁噪聲；②機械噪聲；③空氣動力噪聲。3 電磁噪聲 電磁噪聲主要是由氣隙磁場作用于定子鐵芯的徑向分量所產生的。它通過磁軛向外傳播，使定子鐵芯產生振動變形。其次是氣隙磁場的切向分量，它與電磁轉矩相反，使鐵芯齒局部變形振動。當徑向電磁力波與定子的固有頻率接近時，就會引起共振，使振動與噪聲大大增強，甚至危及電機的安全。 根據麥克斯韋定律，氣隙磁場中單位面積的徑向電磁力按下式計算： 式中：B——氣隙磁密 θ——機械角位移 μ0——真空磁導率 由于定、轉子繞組中存在著主波磁勢與各次諧波磁勢，它們相互作用可以產生一系列的力波。3.1 主波磁場產生的力波 主波磁場B1所產生的徑向力波為：Pr1=P0+P1，式中 ，是徑向力的不變部分，它均勻作用于圓周上，使定子鐵芯受到壓縮應力。不變部分不會產生振動與噪聲。P1=P0cos(2pθ-2ω1t-2θ0)，其中p主波的極對數，ω1—主波的角速度，θ0—初相角。P1是徑向力波的交變部分，這個力波的角頻率是2ω1，即2倍的電源頻率，它使定、轉子產生2倍電源頻率的振動與噪聲。它的強度與氣隙磁密的平方成正比。這在兩極的大容量電機中，容易產生較大的影響，而在一般情況下，由于它的頻率較低，其影響不顯著。3.2 諧波磁場產生的力波 諧波磁場產生的力波所引起的振動與噪聲，一方面與該力波的幅值大小有關，也與力波的次數有關。在大多數情況下，次數小于10的影響較大，高次數的力波一般不考慮。所以一定要選擇合適的定轉子槽配合，以避免產生較低次的力波。若Z1和Z2分別代表定、轉子槽數，則要求：Z1-Z2≠(0或2p),Z1-Z2≠(±1或2p±1)，Z1-Z2≠(±2或2p±2),Z1-Z2≠(±3或2p±3)。3.3 由一階齒諧波所產生的力波 由于定子或轉子上齒槽的影響，磁導將產生周期性變化，而引起氣隙磁密的大小周期性變化，而產生了齒諧波。這齒諧波所引起的振動與噪聲可采用斜槽的方法，將其削弱。一般情況下，轉子斜一個定子槽距時，其齒諧波所產生的徑向力要比直槽時小得多。3.4 單邊磁拉力所產生的力波 由于定、轉子的偏心，或磁路的不對稱，將引起磁通分配的不對稱，而出現一邊受力大、一邊受力小的現象，也就產生了單邊磁拉力。它隨著轉速而周期性地變化。 當其中極對數為p±1的附加磁場與主波磁場相互作用時，所產生的力波次數為±1，這樣低的力波很可能引起振動與噪聲。因此，我們在設計或加工時，定、轉子圓度一定要達要求，磁路一定要對稱、均勻。在電機裝配中，應校驗定、轉子的同軸度，使之在精度要求范圍內。3.5 降低電磁噪聲的方法 綜上所述產生電磁噪聲的成因，我們可采用下列方法降低電磁噪聲。 ⑴盡量采用正弦繞組，減少諧波成份； ⑵選擇適當的氣隙磁密，不應太高，但過低又會影響材料的利用率； ⑶選擇合適的槽配合，避免出現低次力波； ⑷采用轉子斜槽，斜一個定子槽距； ⑸定、轉子磁路對稱均勻，迭壓緊密； ⑹定、轉子加工與裝配，應注意它們的圓度與同軸度； ⑺注意避開它們的共振頻率。4 機械噪聲 機械噪聲包括軸承噪聲、因轉子不平衡而產生的噪聲及裝配偏心而引起的噪聲。另外，直流電機和串勵交流電機中的碳刷也會產生振動而引起噪聲。在很多情況下，機械噪聲往往成為電機噪聲的主角。4.1 軸承噪聲的產生與控制 由于軸承隨電機轉子一起旋轉，因滾珠、內圈、外圈表面的不光滑，它們之間有間隙，滾珠的不圓或內部混合雜物，而引起它們間互相碰撞產生振動與噪聲。 其產生的噪聲值與滾珠、內外圈溝槽的尺寸精度、表面粗糙度及形位公差等有很大關系。有人認為，只要采用精密軸承就可以降低軸承噪聲，殊不知使用后，反而使噪聲增加。原因是軸與軸承內圈的配合過緊，使精密軸承的內圈變形大于普通軸承的變形量，因而跳動、振動加大，噪聲上升。所以軸承與軸承室、軸的配合也是非常重要的。 降低軸承噪聲應采取下列方法： ⑴一般應采用密封軸承，防止雜物進入； ⑵軸承生產廠在軸承裝配前，對滾珠、內圈、外圈的機加工一定要達到設計要求，在裝配時，應有嚴格的退磁清選工序，洗去油污與鐵屑。事實證明，清洗后的軸承比清洗前的軸承噪聲一般降低3dB。潤滑脂一定要清潔干凈，絕不能含有任何鐵屑、灰塵和雜質； ⑶軸承外圈與軸承室的配合、內圈與軸的配合，一般不宜太緊。軸承外圈與軸承室的配合，其徑向間隙宜在3～9μm的范圍內； ⑷為消除轉子的軸向間隙，必須對軸承施加適當的壓力。一般選用波形彈簧墊圈或三點式彈性墊圈，且以放在軸伸端為宜； ⑸對于噪聲要求特別的電機，宜選用低噪聲軸承。當負載不太大時，可采用含油滑動軸承，它比同尺寸的滾動軸承的噪聲有時可低10dB左右；4.2 轉子機械不平衡產生的噪聲與控制 如果一個電機轉子（包括上面的繞組）的質量分布是均勻的，制造與安裝時的圓度和同心度是合格的，則運轉平穩，它對軸承或支架的壓力只有靜壓力，即轉子本身的重量。如果轉子的質量分布是不均勻的，則轉子是不平衡的轉子，它轉動時就會產生附加的離心力，軸承或支架就會受到周期性附加離心力的作用，通過軸承或支架傳到外殼，引起振動，產生噪聲。當不平穩量過大或轉速過高，將使電機無法正常工作，甚至損壞或飛逸，后果十分嚴重。電機中冷卻風扇的不平衡同樣也會產生較大的噪聲。 轉子的平衡有二種：靜平衡與動平衡。 靜平衡的轉子不一定動平衡，但動平衡的轉子一定會靜平衡。所以轉子僅校靜平衡是不夠的，對于速度較高的轉子必須校動平衡。目前常用兩種方法使之平衡：去重法與加重法。去重法效率較高，但對鐵芯會造成一定損傷，特別是在不平衡量較大時，就不宜采用此法。加重法的加工效率不高，但比較靈活，且不損傷轉子鐵芯。不平衡的風扇同樣需要校動平衡。 圖1是德國工程師學會（VDI）標準規定的電機允許的殘留不平衡量或總偏心值。 圖1 允許的殘留不平衡量或總偏心值 a—對于小電樞；b—對于固定的渦輪發電機或有特殊要求的中型或大型電樞；c—對于特殊要求的小電樞；d—對于精密磨床的電樞。4.3 碳刷裝置噪聲的產生與控制 碳刷裝置的噪聲是由碳刷位置安裝不良或碳刷與刷架的配合不當或碳刷壓力不適合及換向器表面有毛刺或圓度不夠等多方面的原因所產生的。 圖2是部分電機廠的經驗曲線，它說明了碳刷的傾斜角α及刷架外面的伸出長度l1與噪聲大小的關系。當電機為25～50W，轉速為3500～5000r/min，并使用常規換向器與碳刷時的最佳值是：傾斜角α為0°，伸出長度l1為2～4mm，碳刷與刷架之間的間隙為0.2mm。 另外，還應選擇換向性能與摩擦性能良好的碳刷也有助于降低噪聲。 圖 2 a—電刷一換向器系統的幾何形狀；⑴電刷；⑵刷架；⑶換向器表面，α是傾斜角，l1外部電刷長度；b─噪聲與α的關系；c─噪聲與l1的關系。5 空氣動力噪聲的產生與控制 電機的空氣動力噪聲是由旋轉的轉子及隨軸一起旋轉的冷卻風扇造成空氣的流動與變化所產生的。流動愈快、變化愈劇烈，則噪聲越大。 空氣動力噪聲與轉速、風扇與轉子的形狀、粗糙度、不平衡量及氣流的風道截面的變化和風道形狀有關。風扇噪聲在電機的噪聲中往往占主要地位。 降低空氣動力噪聲的主要措施如下： ⑴對散熱良好或溫升不高的電機盡量取消風扇，消除噪聲源； ⑵對外風扇，在設計時盡量不留通風裕量，優先采用軸流式風扇； ⑶外風扇與轉軸的聯接不用鍵聯接，而采用滾花直紋工藝； ⑷外風扇應厚薄均勻、無扭曲變形、間距均勻，且應校動平衡； ⑸風道中盡量減少障礙物，有專用風道的宜采用流線形風道，風道的截面變化不要突然； ⑹轉子的表面應盡量光滑。6 降低噪聲的其它措施 由于噪聲雖是由物體的振動產生的，但它還必須通過空氣或其它彈性介質如金屬、水等才能傳播到人的耳朵。因此，人們可以采用隔離法來阻斷或衰減噪聲的傳播。 所渭隔離法，是用金屬或吸音材料把噪聲源包裹起來，或把噪聲源與支架的聯接由剛性聯接改為彈性聯接，使噪聲在傳播過程中受到很大的衰減或使物體的振動減小，防止振動擴大，從而降低了噪聲
每天最長工作時間（h） 8 4 2 -
噪聲 dB(A) 85 93 96 115(最大）
電機是產生噪聲的聲源之一，電機又在家庭、商業、辦公室以及工農醫等行業廣泛而大量地應用著，與人民的生活密切相關。隨著社會的進步，人們對污染環境的噪聲提出了越來越高的要求與限制，尤其對與人們密切接觸的家用電器更是如此。這方面，先進國家尤其重視。我國政府歷來重視人民的健康，對限制噪聲不遺余力。表2是我國產品標準規定的部分家用電器的噪聲限值。 表2 我國部分家用電器的噪聲限值 dB(A）
電冰箱（250升以下） 洗衣機 吸油煙機 電磁灶 吸塵器 洗衣機 鎮流器 空調器（2500W、分體式）
52 75 75 50 84 72 35 45
因此，盡量降低電機的噪聲，生產低噪聲的電機，給人們創造一個舒適、安靜的環境是每個設計者與生產者的職責。 2 電機噪聲的分類 根據電機噪聲產生的不同方式,大致可把其噪聲分為三大類: ①電磁噪聲；②機械噪聲；③空氣動力噪聲。3 電磁噪聲 電磁噪聲主要是由氣隙磁場作用于定子鐵芯的徑向分量所產生的。它通過磁軛向外傳播，使定子鐵芯產生振動變形。其次是氣隙磁場的切向分量，它與電磁轉矩相反，使鐵芯齒局部變形振動。當徑向電磁力波與定子的固有頻率接近時，就會引起共振，使振動與噪聲大大增強，甚至危及電機的安全。 根據麥克斯韋定律，氣隙磁場中單位面積的徑向電磁力按下式計算： 式中：B——氣隙磁密 θ——機械角位移 μ0——真空磁導率 由于定、轉子繞組中存在著主波磁勢與各次諧波磁勢，它們相互作用可以產生一系列的力波。3.1 主波磁場產生的力波 主波磁場B1所產生的徑向力波為：Pr1=P0+P1，式中 ，是徑向力的不變部分，它均勻作用于圓周上，使定子鐵芯受到壓縮應力。不變部分不會產生振動與噪聲。P1=P0cos(2pθ-2ω1t-2θ0)，其中p主波的極對數，ω1—主波的角速度，θ0—初相角。P1是徑向力波的交變部分，這個力波的角頻率是2ω1，即2倍的電源頻率，它使定、轉子產生2倍電源頻率的振動與噪聲。它的強度與氣隙磁密的平方成正比。這在兩極的大容量電機中，容易產生較大的影響，而在一般情況下，由于它的頻率較低，其影響不顯著。3.2 諧波磁場產生的力波 諧波磁場產生的力波所引起的振動與噪聲，一方面與該力波的幅值大小有關，也與力波的次數有關。在大多數情況下，次數小于10的影響較大，高次數的力波一般不考慮。所以一定要選擇合適的定轉子槽配合，以避免產生較低次的力波。若Z1和Z2分別代表定、轉子槽數，則要求：Z1-Z2≠(0或2p),Z1-Z2≠(±1或2p±1)，Z1-Z2≠(±2或2p±2),Z1-Z2≠(±3或2p±3)。3.3 由一階齒諧波所產生的力波 由于定子或轉子上齒槽的影響，磁導將產生周期性變化，而引起氣隙磁密的大小周期性變化，而產生了齒諧波。這齒諧波所引起的振動與噪聲可采用斜槽的方法，將其削弱。一般情況下，轉子斜一個定子槽距時，其齒諧波所產生的徑向力要比直槽時小得多。3.4 單邊磁拉力所產生的力波 由于定、轉子的偏心，或磁路的不對稱，將引起磁通分配的不對稱，而出現一邊受力大、一邊受力小的現象，也就產生了單邊磁拉力。它隨著轉速而周期性地變化。 當其中極對數為p±1的附加磁場與主波磁場相互作用時，所產生的力波次數為±1，這樣低的力波很可能引起振動與噪聲。因此，我們在設計或加工時，定、轉子圓度一定要達要求，磁路一定要對稱、均勻。在電機裝配中，應校驗定、轉子的同軸度，使之在精度要求范圍內。3.5 降低電磁噪聲的方法 綜上所述產生電磁噪聲的成因，我們可采用下列方法降低電磁噪聲。 ⑴盡量采用正弦繞組，減少諧波成份； ⑵選擇適當的氣隙磁密，不應太高，但過低又會影響材料的利用率； ⑶選擇合適的槽配合，避免出現低次力波； ⑷采用轉子斜槽，斜一個定子槽距； ⑸定、轉子磁路對稱均勻，迭壓緊密； ⑹定、轉子加工與裝配，應注意它們的圓度與同軸度； ⑺注意避開它們的共振頻率。4 機械噪聲 機械噪聲包括軸承噪聲、因轉子不平衡而產生的噪聲及裝配偏心而引起的噪聲。另外，直流電機和串勵交流電機中的碳刷也會產生振動而引起噪聲。在很多情況下，機械噪聲往往成為電機噪聲的主角。4.1 軸承噪聲的產生與控制 由于軸承隨電機轉子一起旋轉，因滾珠、內圈、外圈表面的不光滑，它們之間有間隙，滾珠的不圓或內部混合雜物，而引起它們間互相碰撞產生振動與噪聲。 其產生的噪聲值與滾珠、內外圈溝槽的尺寸精度、表面粗糙度及形位公差等有很大關系。有人認為，只要采用精密軸承就可以降低軸承噪聲，殊不知使用后，反而使噪聲增加。原因是軸與軸承內圈的配合過緊，使精密軸承的內圈變形大于普通軸承的變形量，因而跳動、振動加大，噪聲上升。所以軸承與軸承室、軸的配合也是非常重要的。 降低軸承噪聲應采取下列方法： ⑴一般應采用密封軸承，防止雜物進入； ⑵軸承生產廠在軸承裝配前，對滾珠、內圈、外圈的機加工一定要達到設計要求，在裝配時，應有嚴格的退磁清選工序，洗去油污與鐵屑。事實證明，清洗后的軸承比清洗前的軸承噪聲一般降低3dB。潤滑脂一定要清潔干凈，絕不能含有任何鐵屑、灰塵和雜質； ⑶軸承外圈與軸承室的配合、內圈與軸的配合，一般不宜太緊。軸承外圈與軸承室的配合，其徑向間隙宜在3～9μm的范圍內； ⑷為消除轉子的軸向間隙，必須對軸承施加適當的壓力。一般選用波形彈簧墊圈或三點式彈性墊圈，且以放在軸伸端為宜； ⑸對于噪聲要求特別的電機，宜選用低噪聲軸承。當負載不太大時，可采用含油滑動軸承，它比同尺寸的滾動軸承的噪聲有時可低10dB左右；4.2 轉子機械不平衡產生的噪聲與控制 如果一個電機轉子（包括上面的繞組）的質量分布是均勻的，制造與安裝時的圓度和同心度是合格的，則運轉平穩，它對軸承或支架的壓力只有靜壓力，即轉子本身的重量。如果轉子的質量分布是不均勻的，則轉子是不平衡的轉子，它轉動時就會產生附加的離心力，軸承或支架就會受到周期性附加離心力的作用，通過軸承或支架傳到外殼，引起振動，產生噪聲。當不平穩量過大或轉速過高，將使電機無法正常工作，甚至損壞或飛逸，后果十分嚴重。電機中冷卻風扇的不平衡同樣也會產生較大的噪聲。 轉子的平衡有二種：靜平衡與動平衡。 靜平衡的轉子不一定動平衡，但動平衡的轉子一定會靜平衡。所以轉子僅校靜平衡是不夠的，對于速度較高的轉子必須校動平衡。目前常用兩種方法使之平衡：去重法與加重法。去重法效率較高，但對鐵芯會造成一定損傷，特別是在不平衡量較大時，就不宜采用此法。加重法的加工效率不高，但比較靈活，且不損傷轉子鐵芯。不平衡的風扇同樣需要校動平衡。 圖1是德國工程師學會（VDI）標準規定的電機允許的殘留不平衡量或總偏心值。 圖1 允許的殘留不平衡量或總偏心值 a—對于小電樞；b—對于固定的渦輪發電機或有特殊要求的中型或大型電樞；c—對于特殊要求的小電樞；d—對于精密磨床的電樞。4.3 碳刷裝置噪聲的產生與控制 碳刷裝置的噪聲是由碳刷位置安裝不良或碳刷與刷架的配合不當或碳刷壓力不適合及換向器表面有毛刺或圓度不夠等多方面的原因所產生的。 圖2是部分電機廠的經驗曲線，它說明了碳刷的傾斜角α及刷架外面的伸出長度l1與噪聲大小的關系。當電機為25～50W，轉速為3500～5000r/min，并使用常規換向器與碳刷時的最佳值是：傾斜角α為0°，伸出長度l1為2～4mm，碳刷與刷架之間的間隙為0.2mm。 另外，還應選擇換向性能與摩擦性能良好的碳刷也有助于降低噪聲。 圖 2 a—電刷一換向器系統的幾何形狀；⑴電刷；⑵刷架；⑶換向器表面，α是傾斜角，l1外部電刷長度；b─噪聲與α的關系；c─噪聲與l1的關系。5 空氣動力噪聲的產生與控制 電機的空氣動力噪聲是由旋轉的轉子及隨軸一起旋轉的冷卻風扇造成空氣的流動與變化所產生的。流動愈快、變化愈劇烈，則噪聲越大。 空氣動力噪聲與轉速、風扇與轉子的形狀、粗糙度、不平衡量及氣流的風道截面的變化和風道形狀有關。風扇噪聲在電機的噪聲中往往占主要地位。 降低空氣動力噪聲的主要措施如下： ⑴對散熱良好或溫升不高的電機盡量取消風扇，消除噪聲源； ⑵對外風扇，在設計時盡量不留通風裕量，優先采用軸流式風扇； ⑶外風扇與轉軸的聯接不用鍵聯接，而采用滾花直紋工藝； ⑷外風扇應厚薄均勻、無扭曲變形、間距均勻，且應校動平衡； ⑸風道中盡量減少障礙物，有專用風道的宜采用流線形風道，風道的截面變化不要突然； ⑹轉子的表面應盡量光滑。6 降低噪聲的其它措施 由于噪聲雖是由物體的振動產生的，但它還必須通過空氣或其它彈性介質如金屬、水等才能傳播到人的耳朵。因此，人們可以采用隔離法來阻斷或衰減噪聲的傳播。 所渭隔離法，是用金屬或吸音材料把噪聲源包裹起來，或把噪聲源與支架的聯接由剛性聯接改為彈性聯接，使噪聲在傳播過程中受到很大的衰減或使物體的振動減小，防止振動擴大，從而降低了噪聲