有刷直流电机旋转工作噪声分析及研究

朱静

摘   要：有刷直流电机的噪声主要来自电磁振动噪声及电刷摩擦噪声。文章利用了数值计算有限元方法，对转子系统建立了有限元模型，优化了定子轴系的固有频率，减弱了共振效应，改善了噪声。

关键词：有刷电机;噪声;有限元方法

随着汽车行业竞争越来越激烈，尤其是对低成本设计要求，有刷直流电机由于成本低、控制简单，在汽车行业得到了广泛的应用[1]。有刷直流电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载[2]。有刷电机在提供动力的同时，也带来了振动与噪声的问题，汽车行业又是一个对噪声、振动和声振粗糙度（Noise，Vibration and Harshness，NVH）有着严苛要求的行业，向有刷电机的应用提出了巨大的挑战。本文以某主机厂有刷直流电机项目中的工作噪声为背景，分析了噪声产生的原因，通过有限元方法，建立了有刷直流电机转子系统的有限元模型，通过改进设计及固有频率分析，最终改善了噪声并达到了NVH要求。

1    有刷直流电机的噪声机理分析

有刷直流电机噪声来源主要有两类：电刷摩擦振动噪声及电磁振动噪声。电刷的摩擦振动噪声是由于换向器跟碳刷接触，在转子旋转过程中接触摩擦而产生的噪声。碳刷材料的配方在此类噪声产生的环节方面起到决定性作用。目前，各大电机公司都致力于碳刷材料的配方研究。

电磁噪声是电机噪声的组成部分，它通过磁轭向外传播[3]。氣隙磁波作用在定子上，产生径向和切向磁力两个分量。使定子产生振动变形的径向分量是电磁噪声的主要来源，使定子齿弯曲产生局部变形的切向分量是电磁噪声的次要来源。当径向电磁力波与定子的固有频率接近时，就会引起共振，使振动与噪声大大增强。

3件样件的噪声测试结果如图1所示。在1 000 Hz左右，噪声明显，通过更换不同类型的碳刷，电机仍然产生了此频率的噪声，由此推断噪声来源于转子的共振。固有频率可利用数值计算有限元方法实现，即有限元里面的模态分析方法。模态分析是将线性时不变系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，坐标变换的变换矩阵为振型矩阵，每列即为各阶振型。

2    转子轴系及有限元模型

有限元方法是将连续的几何体划分为离散的单元体，将单元赋予对应的材料属性，如弹性模量、泊松比、密度等特性，利用数值计算方法，计算所要得到的结果[4]。某有刷电机的转子系统，包含轴承、换向器、电枢片叠组、轴等如图2所示，其中绕线部分用等效的实体代替。主要的材料属性如表1所示。

对几何体进行网格划分可得到网格模型，根据电机的实际工作情况，在轴承表面施加固定约束边界条件，如图3所示。

3    模态分析结果及噪声改善

根据模态分析可以得到第一阶弯曲固有频率，如图4所示。第一阶弯曲振型的固有频率为985 Hz，与图1中测试的峰值相吻合，再次证明了共振是产生此噪声的原因。考虑到优化方案的成本及可实施的简便性，通过增加主轴的直径来增加第一阶弯曲振型的固有频率。将轴的直径增加5 mm，计算固有频率得到第一阶弯曲振型的固有频率为1 100 Hz。并且通过样件测试验证，噪声问题得到了解决，达到了要求。图5为测试结果，表示出了改善前的测试结果，可看出图2件改善后的样件测试结果。

4    结语

文章通过测试分析与有限元方法模态分析相结合的方法，通过一定的简化模型，建立了转子轴系的有限元模型，基于此模型进行优化分析，成功解决了某电机的振动噪声问题，具有很大的工程价值。

[参考文献]

[1]陈永校.电机噪声的分析和控制[M].杭州：浙江大学出版社，1987.

[2]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]赵玫.动力机械振动与噪声学[M].北京：科学出版社，2003.

[4]李景湧.有限元法[M].北京：北京邮电大学出版社，1999.