家用小功率电机的噪音研究与改善

家用小功率电机的噪音研究与改善

费利明钟大志陈峰顾炜标

湖州越球电机有限公司浙江省湖州市313009

摘要：家用小功率电机是人们生活中应用非常广泛的机电设备，在人们的生活和工作中起着非常重要的作用。随着人们对家用小功率电机设备要求的不断提升，小功率电机的噪音问题逐渐引起了人们的重视，本文对电机噪音的音源进行了分析，然后提出了一些降噪措施，并以空调为例进行了具体分析。

关键词：家用电器；小功率电机；噪音问题

经过40多年的发展，特别是改革开放以来的飞速发展，中国的小型电机产业有了相当大的进步。我国的家用小功率电机产业的发展分为两个阶段。第一阶段，按照中国家电行业的需求，使用风扇、空调、冰箱、洗衣机、灯具、小家居用品等小型电动机。国内企业通过引进技术和设备，缩小了与发达国家的差距。有些产品达到了国际先进水平。公司拥有强大的独立研发能力，独立的知识产权，形成了一批具有较大影响力的家用电器产品品牌。部分家用小功率电气设备远销欧洲、美国以及其他国际市场。

1电机噪声源的识别

所谓电机噪音源，指的是电机上所有现有音源，噪声源的识别指的是分析噪音和振动机制，确定音源和振动源的位置，分析音源的特性，然后根据音源的大小决定顺序的主噪音。噪音控制一般从音源、音响传递的方法和接收机的接收侧进行。音源控制的最重要环节是噪声源的鉴定。产品通常具有多个噪声源。通过分析试验装置和信号处理技术，分析电机的主噪音源，降低振动和噪音。噪声的形成实际上是另一种能量传递方式。噪音源的确定是能量解析的过程。

2电机噪声的应对措施

在电机带负载的条件下，对电机碳刷与换向器的接触表面的火花进行分析，确定火花等级由于负载大，电机工作时，换向器与碳刷接触的火花大，造成了噪音的出现，同时，碳刷磨损的很剧烈。基于机械噪音上的碳刷和换向器的噪音主要由以下两方面产生：

电刷振动噪声：由电刷的径向跳动和切向摆动产生。

针对电刷的振动噪声，主要的解决方法是在碳刷片上加防震块，以及调整弹簧的压力，全部电刷压力差不能超过±10%。电刷压力是保证正常换向的重要条件。电刷压力过小，会造成电刷跳动和接触压降不稳定；压力大，接触压降减小；但压力过大，则可能造成电刷机械磨损增加，换向器温升增高。

电刷的磨擦噪声：由电刷表面与换向器表面磨擦作用产生。针对电刷的摩擦噪声，主要的解决方法提高换向器表面光洁度，改善换向器表面处理工艺，以及碳刷材质中的含铜比例。

（1）改变换向角度，对比电机电枢换向角度改前和改之后电机的噪音。

电机换向时的换向区域内的磁场极性，保持在线圈未进入换向前原来所处的磁场极性，消除=换向线圈中电抗电势和换向电势的存在。例如：没改换向角度的和改了换向角度的两款电机，它们都带上水泵，在同等压力，同等工况下，做噪音测试，并进行寿命实验，探究两者之间的区别。实验证明，改完换向角度后，电机噪音有改善，同时，寿命实验后，碳刷磨损减少。

（2）模拟磁路，改善磁路的不平衡磁力及气隙的电磁力波，提高电机效率。

（3）碳刷片上加防震块，减少电机运转时的震动。碳刷片上，增加防震块，带上泵头，进行了噪音和震动的测试。增加防震块后，电机启动电流有点大，但在试运转后，电机整个噪音和震动有改善。

当电刷在换向器表面上运行时，由于换向器上相邻换向片绝缘沟槽的存在和表面的径向跳动，引起的电刷径向跳动与切向摆动产生噪声。其频率是电机的基本旋转频率的倍（称为基本换向片频率，及其倍频m）.基本换向片频率的计算公式如下：为换向片数；m是任意正整数。一般认为和2（m=2）频率的噪音幅值最大，这可能与一个沟槽的两个边缘有关。这种振动噪音都以单频形式出现，其频率与转速有明确的比例关系，而且提刷后立即消失。

3空调降噪措施

3.1产品噪音测试

某空调室外机所用的100W电机在辅配开发中发现，W厂家比原批产Z厂家在低速时噪音值大冬9分贝，且有异音。因此对该空调和电机进行频谱测试（麦克风布置在离空调出风罩0.5m处，并对中风机中心）测试风机不同转速下的噪声频谱（见图1），其中330、390Hz附近出现了峰值，且该噪声峰值频率不随转速变化而变化。

图1噪声频谱

3.2机理分析

从频谱特征推断异常声为共振引起，为了进一步确认原因，从激励力频谱特征和风机系统固频两方面进行分析。

（1）激励力频谱特征

风机系统的激励力主要包括风叶旋转产生的气流脉动和电机运行产生的各种电磁力。其中气流脉动的离散频率特征为fl=kZn/60k=l，2，3……Z—风叶叶片数；n—电机转速。对于同步电机，电磁径向力主要频率特征为f2=2kfik=l，2，3……fi-电流基波频率（本电机为21.35Hz）；电磁切向力波动会产生转矩脉动，其主要频率特征为f3=6kfik=l，2，3……

由于非理想因素的影响，转矩脉动除了主要的频率特征外，还会在主要频率特征附近产生一些附加的谐波。

根据上述激励力频率特征，列出该电机320rpm、640rpm运行时的激励力基频和谐波频率，可看出在电机低转速运行时，低次谐波中，转矩脉动的频率可达到300〜400Hz，因此可初步推断引起系统共振的激励力可能是转矩脉动；在电机高转速运行时，低次谐波中，转矩脉动和电磁径向力波的频率也可达到300〜400Hz，两者均有可能引起系统共振。

（2）风机系统固频

测试空调支架和风叶片的频响函数，见图2.

a）整机状态支架处（蓝色实线）。

b）整机状态风叶处（黄色实线）。

由a）、b）可发现，整机状态在330Hz、390H2附近存在固频（图2中的1、2两处），其中支架处的固频有329H2和387Hz，而风叶处的固频有387H2。因此可以推断风机系统存在330、390Hz固频是造成空调整机噪音中330、390Hz两处峰值高的原因之一。

3.3改善方案和结果验证

通过以上分析和推断，电机的电磁转矩脉动和整机（包括电机支架和风叶）系统共振是造成异音的原因。因此可通过改善电磁转矩脉动或优化整机结构改变整机固有频率来优化异常声。因整机（包括电机支架和风叶）已经开好模具且已量产，改动比较麻烦，因此只能通过改善电机的电磁转矩脉动来优化异音。

通常改善电磁转矩脉动的方法也分为两类：第一类是优化电机设计（比如改变磁铁形状、增加极数等），第二类是优化电机控制系统，即通过控制定子相电流波形，优化电枢磁场和主极磁场相互作用产生转矩脉动分量，从而实现噪声的改善。由于电机已开好模具，优化电机设计无论改变极数还是改变磁铁形状，都会涉及到模具的更改，会引影时间进度和开发费用。因此进行第二类改善方案，优化电机控制系统。即通过控制定子相电流波形，优化电枢磁场和主极磁场相互作用产生转矩脉动分量，从而实现噪声的改善。通过调节电流环PI模块的控制参数K，综合改善电流环输出数据的稳定性、超调量、上升时间等参数，优化电机相电流波形，进而优化电枢磁场和主极磁场相互作用产生的转矩脉动分量，从而实现了噪声的改善，消除了异音。改善后用同一台机器同样的测试方法，再一次对空调和电机进行频谱测试，从频谱中可以看出没有了330和390Hz两个频率的峰值。

4结束语

综上所述，通过对家用小功率电机的噪音分析有助于进一步降低其噪音，为人们创造良好的生活和工作环境。

参考文献：

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