直流电机噪声分析及降噪的工艺措施

2012-07-04李昕

船电技术 2012年7期

李昕

（湘潭电机股份有限公司特电研究所，湖南湘潭 411101）

0 引言

电机作为机械电子产品的驱动件，其振动和噪声大小反映了产品的性能好坏，电机噪声也是衡量一个电机生产厂家的产品技术水平、质量水平的重要指标之一。作为电机生产厂家要满足客户对电机噪声小的要求，如何解决电机噪声问题就自然成为电机制造行业特别关注的问题。

本文主要介绍某大型直流电机在电磁方案设计不改变条件下，根据电机振动、噪声产生的机理，对直流电机进行测试分析，确定主要振动噪声源，然后根据对振动噪声影响较大的主要零部件如电机的刷杆及刷杆座的结构分析、端盖焊接及加工、风机电机转子动平衡、电机总装配、零部件加工等制造工艺采取有效措施，达到减小振动、降低噪声5～10dB的目的。

1 电机振动噪声的产生机理

电机振动分为电磁振动和机械振动。其电磁振动主要由电机定、转子磁场相互作用产生随时间和空间变化的径向力，使定子铁芯和机座随时间周期性变形而引起振动；机械振动包括由转子不平衡引起的离心力所产生的机械振动和噪声，轴承振动噪声，电刷与换向器滑动接触振动，受轴承振动激发的端盖轴向、径向振动等。另外在电机的通风系统中存在风扇旋转以及转子旋转形成的气体、涡流噪声，风扇旋转使冷却气体周期性脉动或气体撞击障碍物产生的单频噪声，风路中薄壁零件谐振或风路设计不合理，也将产生噪声。

为保证电机性能减小振动和降低噪音，合理的设计结构、制造工艺方法与零部件制造过程中的加工质量决定电机的振动与噪声。除设计因素外,工艺水平的提高对电机振动和噪声的抑制起着重要作用。

2 电机噪声控制的工艺措施

2.1 刷架结构分析

2.1.1 刷架结构改进前测试情况及分析

我们对直流电机振动测试数据进行了分析，发现各测点在不同工况下在某频率点或频率段振动幅值的一些规律。其中刷架端测点振动幅度最大值、次大值产生的频率与电机换向片数有密切关系。如直流电机在100 r/min工况下，其刷架端的测点振动幅度最大值、次大值的频率为600 Hz和1200 Hz。600正好为直流电机转速值100和换向片片数360的乘积除以60所得。并且换向器端振动明显大于非换向器端，据此我们将减小刷架的振动作为减振降噪工作的重点研究方向之一。

2.1.2 刷杆座及刷杆结构改进、工艺研究情况

根据测试分析结论，我们对刷杆座及刷杆结构进行了工艺性改进和研究，通过有限元计算等方法，对刷杆、刷架的强度进行了核算，设计并制造了用于工艺研究的刷杆座和刷杆。工艺刷杆座和刷杆在原有基础上增加了强度，增大了刷杆与刷杆座的接触面积，增大了刷杆安装孔距，从而使刷杆的安装更加稳固。将新制工艺刷杆座和刷杆装配在直流电机上测试，其振动加速度有明显改善，振动加速度级降低了4 dB左右。

2.1.3 电刷、刷盒结构的工艺研究及测试情况

在工艺刷杆座和刷杆生产过程中，我们同时对电刷、刷握结构进行了工艺研究和测试。我们分别更换了各种不同型号的电刷和刷握进行了振动测试，其中采用的电刷有：D374（不带橡胶减振垫）和D214（带橡胶减振垫）；采用的刷握有压指结构和恒压弹簧结构。通过交差测试对比，电机的振动加速度没有明显差距，据此我们认为电刷和刷握结构对电机的振动加速度影响不大。

2.2 机座、端盖及电枢支架焊接工艺分析

普通电机的机座、端盖及电枢支架的焊接均采用普通焊条焊接，为达到降噪的目的，我们采用药芯焊丝焊接方式。药芯焊丝焊接可以减少大型结构件的焊接变形，减少其内部应力，减少焊接飞溅，改善焊缝成形，提高结构件外观质量及焊缝的机械性能等。前期我们对普通钢材(Q235)的药芯焊丝焊接工艺进行了研究，通过大量试验，掌握了药芯焊丝焊接普通钢材的各种工艺参数及焊接技术，同时在电机的零件上使用验证；后期开展了电机机座、端盖、电枢支架等结构件药芯焊丝焊接工艺研究，进行了大量的样件焊接试验。对不同牌号的材料（如35号钢、钢板Q235等）在不同状态（如锻件、铸件、钢板）、不同厚度采用药芯焊丝焊接，通过大量试验和验证，掌握了电机结构件材料在不同状态、不同厚度下的药芯焊丝焊接工艺参数，并编制了焊接工艺守则。经过机加工及试验验证，机座、端盖及电枢支架等的焊接变形得到了有效控制，焊缝成形美观，保证了机座、端盖等结构件的强度和稳定性。

2.3 端盖加工尺寸分散性对整机振动值影响分析研究

为了分析端盖加工尺寸分散性对整机振动值影响，生产了两件样件端盖，全部采用药芯焊丝焊接，一方面对药心焊丝焊接进行了工程应用验证；另一方面利用样件端盖增加了两次电机装配，充分开展了装配工艺研究；第三是开展了加工尺寸分散性对整机振动值影响分析研究，加工中对样件端盖止口等关键尺寸特意加工至上偏差或下偏差，分别进行了装配和振动噪声检测，检测结果无明显差别，表明在图纸要求尺寸范围内，端盖止口等尺寸的分散性对整机振动值影响不大。

通过对直流电机三次解体更换端盖、轴承座、弹性安装，相应的三次检测结果仅相差约2-3 dB，相对已出厂的同型号五套产品相差约13 dB的较大分散性情况表明，本次直流电机装配工艺研究是成功的。通过装配工艺研究我们总结了引起振动值分散的具体装配因素，并形成了一系列工艺文件，确保后续产品装配质量满足技术要求。

2.4 阻尼钢板焊接、加工及应用工艺分析

在减振降噪工艺研究中，新型材料的应用研究也成为一个重要的研究方向。通过调研，我们选择了一种新型材料——阻尼钢板作为减振降噪应用研究的对象。通过工艺、设计人员的调研和分析，首先在冷却系统和刷架中实施了应用性研究。我们制作了工艺研究用的一套冷却系统，在这套冷却系统中底板和蜗壳等采用了阻尼钢板制作，在刷架中增加了阻尼垫片，摸索出了阻尼钢板焊接、折弯及加工的工艺方法。采用阻尼钢板生产的一套冷却系统因考虑到阻尼钢板的使用寿命和加工工艺不成熟等因素，只做为工艺研究用。

通过对阻尼钢板的应用研究，虽然没有大量应用于产品上，但已基本掌握了阻尼钢板的焊接、加工的工艺方法，为今后阻尼钢板的应用打下了一定的基础。

2.5 电枢铁心、主极、换向极铁心叠压工艺分析

冲片质量的好坏将直接影响铁心叠压后的质量。该电机在生产中，电枢、主极、换向极冲片均采用进口数控冲床上冲制，冲制后增加去毛毛刺工序，同时为保证运输及叠压，每一张扇形冲片均进行编号并按顺序叠放于专用工装中。为保证电枢铁心叠压压力和叠片数量的准确性，冲槽之前，为确保电枢铁心分段长度的一致性，采取对电枢铁心进行全预叠的工艺，即对电枢铁心全铁心长度进行一次预先叠压，保证每段铁心长度的一致性。同时铁心叠压时严格控制叠压的压紧力，并在叠压后检测铁心尺寸及叠压的松紧程度，保证了电枢铁心的叠压质量。

2.6 换向器制造工艺分析

换向器是由铜、钢、云母等各种物理性质差异悬殊的材料制成的，在长期反复的温度与离心力作用下，必须保持工作表面的几何形状不发生变形，同时电机运行过程中，电刷运行时与换向器表面接触是间断性接触，电刷从换向器接触点滑入另一换向片的过程中，如果换向器倒角不够圆滑，则会引起电刷跳动增大，从而引起振动偏大，同时换向器的表面局部圆度大也可能引起电刷跳动过大，为此换向器生产过程中，采用专用工艺措施保证云母片完全收缩和云母胶硬化，使换向器成为一个坚实稳定的整体，再将换向器进行动成型及超速试验，依据离心力的作用压紧，使换向器不致在运行时发生突片现象。换向器加工时，严格控制换向器工作表面的直径、长度等尺寸公差及外圆的圆度偏差，对表面换向器沟槽采取工艺措施进行抛光处理。

2.7 电枢铁心校动平衡工艺分析

该直流电机电枢铁心重量大，为保证电枢的质量均衡，设计要求单独对电枢铁心校平衡，以了保证旋转件质量的均衡，本电枢铁心采用动平衡方式平衡整个工件，为此根据电枢铁心的结构及动平衡机的结构，专门设计并制造了电枢铁心动平衡用的假轴，为保证电枢铁心在动平衡试验过程中的准确性，对假轴也进行了单独动平衡试验，电枢铁心经动平衡试验，其平衡精度等级满足设计要求。

2.8 电枢校动平衡

电机转子的残余不平衡量对电机振动影响很大，为保证电枢质量的均匀性，要求对电机电枢进行动平衡。

在电机制造过程中我们对转轴、电枢铁心、电枢支架、换向器等的制造精度进行控制，严格控制转轴加工过程中内外圆粗糙度和同轴度；严格控制冲片制造过程中尺寸精度；严格控制铁心叠压过程中尺寸精度、铁心重量、铁心内外圆的同心度及紧密度；严格控制支架焊接时焊缝质量及筋条等分均匀；严格控制换向器制造中换向片的对称性、换向片对轴中心线的平行度；严格控制电枢铁心动平衡的精度，这样保证各零部件质量均衡一致性，从而保证整个电枢的质量较均衡。

为保证电机转子的平衡，采取了电机试验时进行现场动平衡。其原理是：利用振动测量方法，直接测量电机轴承座的振动幅值和相位角，然后经计算处理。在电枢校正平面上进行平衡试验，以得到电枢失重的质量、大小和位移，然后相应增、减平衡质量，使电枢平衡失重减小，达到平衡的目的。

2.9 风机转子动平衡量的控制分析

在进行了多次振动测试分析后，直流电机在同等运行工况下在开风机与停风机的不同状态下，机脚振动值约有(2-3)dB差别，从频谱图分析风机轴频影响较大，风机的振动经机座传递至电机机脚，对电机整机振动值影响较大，而要降低基频振动应在风机转子动平衡上下功夫。在现有动平衡设备基础上，我们通过采取风机转子单独进行动平衡，风机叶轮单独平衡，最终转子与叶轮装配好后再一起进行动平衡。然后进行通风机组在额定工况时振动测试，转子经过平衡措施后通风机振动值降低了3 dB，风机转子动平衡后有效减小了整机振动水平。

2.10 刷架系统装配及电刷磨合工艺分析

2.1 0.1 刷架系统装配

为保证电刷在换向器圆周上受力均匀一致，设计了一套立式刷架装配模（传统的直流电机刷架装配模均为卧式），模仿电机实际情况装配好电刷，调整电刷弹簧压力，严格控制电刷弹簧的压力一致性，避免了常规刷架装配装上电刷后上、下半部弹簧压力不一致的情况（装配时调整刷架弹簧压力，但实际装上电机后，由于电刷、弹簧的自重影响，会出现实际施加在上、下半部电刷的压力出现差值），从而减少了因电刷弹簧上、下半部压力不一致而引起的振动。

2.1 0.2 电刷磨合

电机运行时，由于电刷在换向器圆周表面的运动和间隙运动，电机旋转一周，电刷就在换向器表面间歇运动N次(N为换向片数)，电刷由换向沟槽进入换向器表面，和从换向器表面滑出进入换向器沟槽，电刷会产生跳动，引起振动，这与换向器表面粗糙度、换向器表面圆柱度、换向器沟槽倒角、电刷接触面、电刷弹簧压力等有关。

根据前期减振降噪研究的结果，电机运行时电刷与换向器的接触产生的噪声是电机主要噪声源之一，为此对电刷系统装配、电刷磨合状态进行了专项研究。电机装配完成后先对电刷进行预磨，然后对电刷与换向器表面进行通电运转磨合，对每个电刷进行接触面检查，并对换向片工作区域边缘毛刺进行研修，保证其光滑圆顺，振动检测前电机进行了长时间带载磨合电刷，使电刷与换向器接触面积达85%以上。

2.11 电机装配工艺分析

2.1 1.1 控制定、转子铁心轴向对中精度分析

电机装配过程中，如果定、转子铁心纵轴面不对中，在电机运行时将会产生附加的轴向电磁拉力，将对电机振动产生影响，为减少电机轴向拉力对电机振动的影响，必须严格控制定、转子铁心的对中精度，尽量减少铁心不对齐而产生的轴向附加电磁拉力。

在电机装配时，采用专用工装通过移动轴承座的方法调整电枢径向对中，以磁极铁心为基准，确定电枢铁心轴向中心在磁极铁心中心的对应一致的位置上，尽量使两端电枢铁心外端面到磁极铁心端面的距离相等，电枢铁心中心线与定子磁极铁心中心线基本重合；根据图1所示检测圆周上所标尺寸C、D，使其差值均在1mm以内，保证定、转子铁心轴向对中精度。

图1 定子转子铁心轴向对中

2.1 1.2 磁路系统主极、换向极的装配工艺分析

定子磁路系统由主极、换向极在机座内圆等分分布，用螺栓与机座紧固。为保证装配后主极、换向极端面平齐在一个圆柱体内，装配时采用专用测量工具，通过调整主极、换向极位置，使主极、换向极端面平齐度在 1mm以内，调整极间间距均匀度在 1mm以内，为控制其同轴度，先测量主极、换向极对径尺寸，控制其偏差在0.25mm以内，同时磁路系统在主极、换向极装配后上立车校同轴度，使电机主极、换向极极间距离和端面装配的精度及同轴度均控制在要求范围之内。

2.1 1.3 电机气隙均匀度的控制工艺分析

定、转子气隙均匀度好，将减少由于定、转子不均匀而产生的径向磁拉力的影响。在严格控制电枢和磁路系统主极铁心同轴度外，电机装配后，设计专用气隙塞规检查气隙，根据气隙检查情况调整轴承座高度，从而调整电枢在定子内的径向位置，以保证电机气隙符合均匀度要求，经检测的数据都在要求范围内。

2.1 1.4严格规定电机总装配关键位置连接螺栓拧紧力矩，保证螺栓拧紧力及均匀性

为保证电机装配质量一致性，减少人为因素引起电机装配后分散性大的现状，在电机总装配过程中，编制了螺栓拧紧力矩表，除了对设计图样中规定的磁路系统的主极螺栓和换向极螺栓采用力矩扳手拧紧外，同时对关键位置如机座拼合面螺栓、端盖止口螺栓、冷却系统安装螺栓、轴承座拼合面连接螺栓、机座地脚面与减振器连接螺栓等也用力矩扳手拧紧，实际操纵时严格按螺栓拧紧力矩表执行后，很好的保证了关键位置螺栓联结的拧紧力和拧紧力的一致性和均匀度。