直流電機噪聲分析及降噪的工藝措施

李 昕

（湘潭電機股份有限公司特電研究所，湖南湘潭 411101）

0 引言

電機作為機械電子產(chǎn)品的驅(qū)動件，其振動和噪聲大小反映了產(chǎn)品的性能好壞，電機噪聲也是衡量一個電機生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品技術(shù)水平、質(zhì)量水平的重要指標之一。作為電機生產(chǎn)廠家要滿足客戶對電機噪聲小的要求，如何解決電機噪聲問題就自然成為電機制造行業(yè)特別關(guān)注的問題。

本文主要介紹某大型直流電機在電磁方案設(shè)計不改變條件下，根據(jù)電機振動、噪聲產(chǎn)生的機理，對直流電機進行測試分析，確定主要振動噪聲源，然后根據(jù)對振動噪聲影響較大的主要零部件如電機的刷桿及刷桿座的結(jié)構(gòu)分析、端蓋焊接及加工、風機電機轉(zhuǎn)子動平衡、電機總裝配、零部件加工等制造工藝采取有效措施，達到減小振動、降低噪聲5～10dB的目的。

1 電機振動噪聲的產(chǎn)生機理

電機振動分為電磁振動和機械振動。其電磁振動主要由電機定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生隨時間和空間變化的徑向力，使定子鐵芯和機座隨時間周期性變形而引起振動；機械振動包括由轉(zhuǎn)子不平衡引起的離心力所產(chǎn)生的機械振動和噪聲，軸承振動噪聲，電刷與換向器滑動接觸振動，受軸承振動激發(fā)的端蓋軸向、徑向振動等。另外在電機的通風系統(tǒng)中存在風扇旋轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成的氣體、渦流噪聲，風扇旋轉(zhuǎn)使冷卻氣體周期性脈動或氣體撞擊障礙物產(chǎn)生的單頻噪聲，風路中薄壁零件諧振或風路設(shè)計不合理，也將產(chǎn)生噪聲。

為保證電機性能減小振動和降低噪音，合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)、制造工藝方法與零部件制造過程中的加工質(zhì)量決定電機的振動與噪聲。除設(shè)計因素外,工藝水平的提高對電機振動和噪聲的抑制起著重要作用。

2 電機噪聲控制的工藝措施

2.1 刷架結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 刷架結(jié)構(gòu)改進前測試情況及分析

我們對直流電機振動測試數(shù)據(jù)進行了分析，發(fā)現(xiàn)各測點在不同工況下在某頻率點或頻率段振動幅值的一些規(guī)律。其中刷架端測點振動幅度最大值、次大值產(chǎn)生的頻率與電機換向片數(shù)有密切關(guān)系。如直流電機在100 r/min工況下，其刷架端的測點振動幅度最大值、次大值的頻率為600 Hz和1200 Hz。600正好為直流電機轉(zhuǎn)速值100和換向片片數(shù)360的乘積除以60所得。并且換向器端振動明顯大于非換向器端，據(jù)此我們將減小刷架的振動作為減振降噪工作的重點研究方向之一。

2.1.2 刷桿座及刷桿結(jié)構(gòu)改進、工藝研究情況

根據(jù)測試分析結(jié)論，我們對刷桿座及刷桿結(jié)構(gòu)進行了工藝性改進和研究，通過有限元計算等方法，對刷桿、刷架的強度進行了核算，設(shè)計并制造了用于工藝研究的刷桿座和刷桿。工藝刷桿座和刷桿在原有基礎(chǔ)上增加了強度，增大了刷桿與刷桿座的接觸面積，增大了刷桿安裝孔距，從而使刷桿的安裝更加穩(wěn)固。將新制工藝刷桿座和刷桿裝配在直流電機上測試，其振動加速度有明顯改善，振動加速度級降低了4 dB左右。

2.1.3 電刷、刷盒結(jié)構(gòu)的工藝研究及測試情況

在工藝刷桿座和刷桿生產(chǎn)過程中，我們同時對電刷、刷握結(jié)構(gòu)進行了工藝研究和測試。我們分別更換了各種不同型號的電刷和刷握進行了振動測試，其中采用的電刷有：D374（不帶橡膠減振墊）和D214（帶橡膠減振墊）；采用的刷握有壓指結(jié)構(gòu)和恒壓彈簧結(jié)構(gòu)。通過交差測試對比，電機的振動加速度沒有明顯差距，據(jù)此我們認為電刷和刷握結(jié)構(gòu)對電機的振動加速度影響不大。

2.2 機座、端蓋及電樞支架焊接工藝分析

普通電機的機座、端蓋及電樞支架的焊接均采用普通焊條焊接，為達到降噪的目的，我們采用藥芯焊絲焊接方式。藥芯焊絲焊接可以減少大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形，減少其內(nèi)部應(yīng)力，減少焊接飛濺，改善焊縫成形，提高結(jié)構(gòu)件外觀質(zhì)量及焊縫的機械性能等。前期我們對普通鋼材(Q235)的藥芯焊絲焊接工藝進行了研究，通過大量試驗，掌握了藥芯焊絲焊接普通鋼材的各種工藝參數(shù)及焊接技術(shù)，同時在電機的零件上使用驗證；后期開展了電機機座、端蓋、電樞支架等結(jié)構(gòu)件藥芯焊絲焊接工藝研究，進行了大量的樣件焊接試驗。對不同牌號的材料（如35號鋼、鋼板Q235等）在不同狀態(tài)（如鍛件、鑄件、鋼板）、不同厚度采用藥芯焊絲焊接，通過大量試驗和驗證，掌握了電機結(jié)構(gòu)件材料在不同狀態(tài)、不同厚度下的藥芯焊絲焊接工藝參數(shù)，并編制了焊接工藝守則。經(jīng)過機加工及試驗驗證，機座、端蓋及電樞支架等的焊接變形得到了有效控制，焊縫成形美觀，保證了機座、端蓋等結(jié)構(gòu)件的強度和穩(wěn)定性。

2.3 端蓋加工尺寸分散性對整機振動值影響分析研究

為了分析端蓋加工尺寸分散性對整機振動值影響，生產(chǎn)了兩件樣件端蓋，全部采用藥芯焊絲焊接，一方面對藥心焊絲焊接進行了工程應(yīng)用驗證；另一方面利用樣件端蓋增加了兩次電機裝配，充分開展了裝配工藝研究；第三是開展了加工尺寸分散性對整機振動值影響分析研究，加工中對樣件端蓋止口等關(guān)鍵尺寸特意加工至上偏差或下偏差，分別進行了裝配和振動噪聲檢測，檢測結(jié)果無明顯差別，表明在圖紙要求尺寸范圍內(nèi)，端蓋止口等尺寸的分散性對整機振動值影響不大。

通過對直流電機三次解體更換端蓋、軸承座、彈性安裝，相應(yīng)的三次檢測結(jié)果僅相差約2-3 dB，相對已出廠的同型號五套產(chǎn)品相差約13 dB的較大分散性情況表明，本次直流電機裝配工藝研究是成功的。通過裝配工藝研究我們總結(jié)了引起振動值分散的具體裝配因素，并形成了一系列工藝文件，確保后續(xù)產(chǎn)品裝配質(zhì)量滿足技術(shù)要求。

2.4 阻尼鋼板焊接、加工及應(yīng)用工藝分析

在減振降噪工藝研究中，新型材料的應(yīng)用研究也成為一個重要的研究方向。通過調(diào)研，我們選擇了一種新型材料——阻尼鋼板作為減振降噪應(yīng)用研究的對象。通過工藝、設(shè)計人員的調(diào)研和分析，首先在冷卻系統(tǒng)和刷架中實施了應(yīng)用性研究。我們制作了工藝研究用的一套冷卻系統(tǒng)，在這套冷卻系統(tǒng)中底板和蝸殼等采用了阻尼鋼板制作，在刷架中增加了阻尼墊片，摸索出了阻尼鋼板焊接、折彎及加工的工藝方法。采用阻尼鋼板生產(chǎn)的一套冷卻系統(tǒng)因考慮到阻尼鋼板的使用壽命和加工工藝不成熟等因素，只做為工藝研究用。

通過對阻尼鋼板的應(yīng)用研究，雖然沒有大量應(yīng)用于產(chǎn)品上，但已基本掌握了阻尼鋼板的焊接、加工的工藝方法，為今后阻尼鋼板的應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)。

2.5 電樞鐵心、主極、換向極鐵心疊壓工藝分析

沖片質(zhì)量的好壞將直接影響鐵心疊壓后的質(zhì)量。該電機在生產(chǎn)中，電樞、主極、換向極沖片均采用進口數(shù)控沖床上沖制，沖制后增加去毛毛刺工序，同時為保證運輸及疊壓，每一張扇形沖片均進行編號并按順序疊放于專用工裝中。為保證電樞鐵心疊壓壓力和疊片數(shù)量的準確性，沖槽之前，為確保電樞鐵心分段長度的一致性，采取對電樞鐵心進行全預(yù)疊的工藝，即對電樞鐵心全鐵心長度進行一次預(yù)先疊壓，保證每段鐵心長度的一致性。同時鐵心疊壓時嚴格控制疊壓的壓緊力，并在疊壓后檢測鐵心尺寸及疊壓的松緊程度，保證了電樞鐵心的疊壓質(zhì)量。

2.6 換向器制造工藝分析

換向器是由銅、鋼、云母等各種物理性質(zhì)差異懸殊的材料制成的，在長期反復(fù)的溫度與離心力作用下，必須保持工作表面的幾何形狀不發(fā)生變形，同時電機運行過程中，電刷運行時與換向器表面接觸是間斷性接觸，電刷從換向器接觸點滑入另一換向片的過程中，如果換向器倒角不夠圓滑，則會引起電刷跳動增大，從而引起振動偏大，同時換向器的表面局部圓度大也可能引起電刷跳動過大，為此換向器生產(chǎn)過程中，采用專用工藝措施保證云母片完全收縮和云母膠硬化，使換向器成為一個堅實穩(wěn)定的整體，再將換向器進行動成型及超速試驗，依據(jù)離心力的作用壓緊，使換向器不致在運行時發(fā)生突片現(xiàn)象。換向器加工時，嚴格控制換向器工作表面的直徑、長度等尺寸公差及外圓的圓度偏差，對表面換向器溝槽采取工藝措施進行拋光處理。

2.7 電樞鐵心校動平衡工藝分析

該直流電機電樞鐵心重量大，為保證電樞的質(zhì)量均衡，設(shè)計要求單獨對電樞鐵心校平衡，以了保證旋轉(zhuǎn)件質(zhì)量的均衡，本電樞鐵心采用動平衡方式平衡整個工件，為此根據(jù)電樞鐵心的結(jié)構(gòu)及動平衡機的結(jié)構(gòu)，專門設(shè)計并制造了電樞鐵心動平衡用的假軸，為保證電樞鐵心在動平衡試驗過程中的準確性，對假軸也進行了單獨動平衡試驗，電樞鐵心經(jīng)動平衡試驗，其平衡精度等級滿足設(shè)計要求。

2.8 電樞校動平衡

電機轉(zhuǎn)子的殘余不平衡量對電機振動影響很大，為保證電樞質(zhì)量的均勻性，要求對電機電樞進行動平衡。

在電機制造過程中我們對轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞支架、換向器等的制造精度進行控制，嚴格控制轉(zhuǎn)軸加工過程中內(nèi)外圓粗糙度和同軸度；嚴格控制沖片制造過程中尺寸精度；嚴格控制鐵心疊壓過程中尺寸精度、鐵心重量、鐵心內(nèi)外圓的同心度及緊密度；嚴格控制支架焊接時焊縫質(zhì)量及筋條等分均勻；嚴格控制換向器制造中換向片的對稱性、換向片對軸中心線的平行度；嚴格控制電樞鐵心動平衡的精度，這樣保證各零部件質(zhì)量均衡一致性，從而保證整個電樞的質(zhì)量較均衡。

為保證電機轉(zhuǎn)子的平衡，采取了電機試驗時進行現(xiàn)場動平衡。其原理是：利用振動測量方法，直接測量電機軸承座的振動幅值和相位角，然后經(jīng)計算處理。在電樞校正平面上進行平衡試驗，以得到電樞失重的質(zhì)量、大小和位移，然后相應(yīng)增、減平衡質(zhì)量，使電樞平衡失重減小，達到平衡的目的。

2.9 風機轉(zhuǎn)子動平衡量的控制分析

在進行了多次振動測試分析后，直流電機在同等運行工況下在開風機與停風機的不同狀態(tài)下，機腳振動值約有(2-3)dB差別，從頻譜圖分析風機軸頻影響較大，風機的振動經(jīng)機座傳遞至電機機腳，對電機整機振動值影響較大，而要降低基頻振動應(yīng)在風機轉(zhuǎn)子動平衡上下功夫。在現(xiàn)有動平衡設(shè)備基礎(chǔ)上，我們通過采取風機轉(zhuǎn)子單獨進行動平衡，風機葉輪單獨平衡，最終轉(zhuǎn)子與葉輪裝配好后再一起進行動平衡。然后進行通風機組在額定工況時振動測試，轉(zhuǎn)子經(jīng)過平衡措施后通風機振動值降低了3 dB，風機轉(zhuǎn)子動平衡后有效減小了整機振動水平。

2.10 刷架系統(tǒng)裝配及電刷磨合工藝分析

2.1 0.1 刷架系統(tǒng)裝配

為保證電刷在換向器圓周上受力均勻一致，設(shè)計了一套立式刷架裝配模（傳統(tǒng)的直流電機刷架裝配模均為臥式），模仿電機實際情況裝配好電刷，調(diào)整電刷彈簧壓力，嚴格控制電刷彈簧的壓力一致性，避免了常規(guī)刷架裝配裝上電刷后上、下半部彈簧壓力不一致的情況（裝配時調(diào)整刷架彈簧壓力，但實際裝上電機后，由于電刷、彈簧的自重影響，會出現(xiàn)實際施加在上、下半部電刷的壓力出現(xiàn)差值），從而減少了因電刷彈簧上、下半部壓力不一致而引起的振動。

2.1 0.2 電刷磨合

電機運行時，由于電刷在換向器圓周表面的運動和間隙運動，電機旋轉(zhuǎn)一周，電刷就在換向器表面間歇運動N次(N為換向片數(shù))，電刷由換向溝槽進入換向器表面，和從換向器表面滑出進入換向器溝槽，電刷會產(chǎn)生跳動，引起振動，這與換向器表面粗糙度、換向器表面圓柱度、換向器溝槽倒角、電刷接觸面、電刷彈簧壓力等有關(guān)。

根據(jù)前期減振降噪研究的結(jié)果，電機運行時電刷與換向器的接觸產(chǎn)生的噪聲是電機主要噪聲源之一，為此對電刷系統(tǒng)裝配、電刷磨合狀態(tài)進行了專項研究。電機裝配完成后先對電刷進行預(yù)磨，然后對電刷與換向器表面進行通電運轉(zhuǎn)磨合，對每個電刷進行接觸面檢查，并對換向片工作區(qū)域邊緣毛刺進行研修，保證其光滑圓順，振動檢測前電機進行了長時間帶載磨合電刷，使電刷與換向器接觸面積達85%以上。

2.11 電機裝配工藝分析

2.1 1.1 控制定、轉(zhuǎn)子鐵心軸向?qū)χ芯确治?/p>

電機裝配過程中，如果定、轉(zhuǎn)子鐵心縱軸面不對中，在電機運行時將會產(chǎn)生附加的軸向電磁拉力，將對電機振動產(chǎn)生影響，為減少電機軸向拉力對電機振動的影響，必須嚴格控制定、轉(zhuǎn)子鐵心的對中精度，盡量減少鐵心不對齊而產(chǎn)生的軸向附加電磁拉力。

在電機裝配時，采用專用工裝通過移動軸承座的方法調(diào)整電樞徑向?qū)χ?，以磁極鐵心為基準，確定電樞鐵心軸向中心在磁極鐵心中心的對應(yīng)一致的位置上，盡量使兩端電樞鐵心外端面到磁極鐵心端面的距離相等，電樞鐵心中心線與定子磁極鐵心中心線基本重合；根據(jù)圖1所示檢測圓周上所標尺寸C、D，使其差值均在1mm以內(nèi)，保證定、轉(zhuǎn)子鐵心軸向?qū)χ芯取?/p>

圖1 定子轉(zhuǎn)子鐵心軸向?qū)χ?/p>

2.1 1.2 磁路系統(tǒng)主極、換向極的裝配工藝分析

定子磁路系統(tǒng)由主極、換向極在機座內(nèi)圓等分分布，用螺栓與機座緊固。為保證裝配后主極、換向極端面平齊在一個圓柱體內(nèi)，裝配時采用專用測量工具，通過調(diào)整主極、換向極位置，使主極、換向極端面平齊度在 1mm以內(nèi)，調(diào)整極間間距均勻度在 1mm以內(nèi)，為控制其同軸度，先測量主極、換向極對徑尺寸，控制其偏差在0.25mm以內(nèi)，同時磁路系統(tǒng)在主極、換向極裝配后上立車校同軸度，使電機主極、換向極極間距離和端面裝配的精度及同軸度均控制在要求范圍之內(nèi)。

2.1 1.3 電機氣隙均勻度的控制工藝分析

定、轉(zhuǎn)子氣隙均勻度好，將減少由于定、轉(zhuǎn)子不均勻而產(chǎn)生的徑向磁拉力的影響。在嚴格控制電樞和磁路系統(tǒng)主極鐵心同軸度外，電機裝配后，設(shè)計專用氣隙塞規(guī)檢查氣隙，根據(jù)氣隙檢查情況調(diào)整軸承座高度，從而調(diào)整電樞在定子內(nèi)的徑向位置，以保證電機氣隙符合均勻度要求，經(jīng)檢測的數(shù)據(jù)都在要求范圍內(nèi)。

2.1 1.4嚴格規(guī)定電機總裝配關(guān)鍵位置連接螺栓擰緊力矩，保證螺栓擰緊力及均勻性

為保證電機裝配質(zhì)量一致性，減少人為因素引起電機裝配后分散性大的現(xiàn)狀，在電機總裝配過程中，編制了螺栓擰緊力矩表，除了對設(shè)計圖樣中規(guī)定的磁路系統(tǒng)的主極螺栓和換向極螺栓采用力矩扳手擰緊外，同時對關(guān)鍵位置如機座拼合面螺栓、端蓋止口螺栓、冷卻系統(tǒng)安裝螺栓、軸承座拼合面連接螺栓、機座地腳面與減振器連接螺栓等也用力矩扳手擰緊，實際操縱時嚴格按螺栓擰緊力矩表執(zhí)行后，很好的保證了關(guān)鍵位置螺栓聯(lián)結(jié)的擰緊力和擰緊力的一致性和均勻度。

3 結(jié)論

通過對直流電機進行工藝分析研究，采取一系列工藝措施后，電機按照現(xiàn)場彈性底座安裝的要求進行彈性安裝試驗，總振級及各頻段振動噪聲檢測結(jié)果均優(yōu)于考核指標，其中總振級比考核指標低了3 dB，完全滿足直流電機使用要求。

通過進一步研究零部件加工及添置高精度機加工設(shè)備及振動噪聲檢測專用軟硬件，繼續(xù)進行電機振動噪聲檢測研究，掌握和提高振動噪聲檢測分析能力，輔以加強質(zhì)量監(jiān)控及回用品控制的措施達到最終控制產(chǎn)品振動噪聲離散性的目的，將會制造質(zhì)量更優(yōu)、性能更好的低噪聲的電機。

[1]劉云. 電機修理工手冊. 北京： 機械工業(yè)出版社,1999.

[2]孫雪明. 電機負載噪聲測試與質(zhì)量改進標準.電機技術(shù), 2001(3)： 16-17.