高速鐵路振動(dòng)及噪聲測試技術(shù)

前言：在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)、控制器引起的振動(dòng)和噪聲問題變得愈加顯著。新能源汽車上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的噪聲更加顯著。中高頻段上，整車噪聲基本由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)所主導(dǎo)，影響車內(nèi)聲品質(zhì)。這些問題，正在逐漸成為，整車廠、電機(jī)廠商以及電控系統(tǒng)供應(yīng)商亟待解決的棘手問題。當(dāng)前將電磁、結(jié)構(gòu)有限元分析流程有效結(jié)合起來，為電機(jī)的電磁、PWM(脈寬調(diào)制)、機(jī)械及NVH性能優(yōu)化提供了一個(gè)完整的虛擬仿真過程及數(shù)據(jù)分析功能。

為了搞清楚電機(jī)的振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的原因和機(jī)理，筆者將在隨后的博文中對(duì)其進(jìn)行闡述。

先從電機(jī)的噪聲說起，電機(jī)噪聲根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理的不同，大致可分為三類：電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲

1、電磁噪聲

電磁噪聲來源于電磁振動(dòng)，電磁振動(dòng)由電機(jī)氣隙磁場作用于電機(jī)鐵心產(chǎn)生的電磁力所激發(fā)，而電機(jī)氣隙磁場又決定于定轉(zhuǎn)子繞組磁動(dòng)勢和氣隙磁導(dǎo)。氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力是一個(gè)旋轉(zhuǎn)力波，有徑向和切向兩個(gè)分量。徑向分量使定子和轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向變形和周期性振動(dòng)，是電磁噪聲的主要來源；切向分量是與電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)的作用力矩，它使齒對(duì)其根部彎曲，并產(chǎn)生局部振動(dòng)變形，是電磁噪聲的一個(gè)次要來源。還有很多設(shè)計(jì)和故障原因，也會(huì)造成電磁噪聲的增加，例如：鐵心飽和的影響；電網(wǎng)中的諧波分量；異步電動(dòng)機(jī)斷條；裝配氣隙不均勻等等。電磁噪聲的大小與電機(jī)氣隙內(nèi)的諧波磁場及由此產(chǎn)生的力波的幅值、頻率和磁極數(shù)有關(guān)，也同定子的固有頻率、阻尼系數(shù)等密切相關(guān)。

2、機(jī)械噪聲

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結(jié)構(gòu)共振形成機(jī)械噪聲，主要是軸承和換向引起的。電機(jī)軸承在繁重的工作狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠和外圈滾道相接處會(huì)發(fā)生彈性變形。滾道變形隨接觸處的變化呈周期性變化，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。軸承裝機(jī)后，內(nèi)外圈的配合及軸承游隙對(duì)電機(jī)噪聲也有一定的影響。換向噪聲在有滑環(huán)和換向器的電機(jī)中是不可避免的。換向噪聲有三種原因引起：

3、 空氣動(dòng)力噪聲

產(chǎn)生這種噪聲的根本原因是電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)中氣流壓力的局部迅速變化和隨時(shí)間的急劇脈動(dòng)，以及通風(fēng)氣流與電機(jī)風(fēng)路管道的摩擦。這種噪聲通常直接從氣流中輻射出去。電機(jī)的空氣動(dòng)力噪聲主要包括：

旋轉(zhuǎn)噪聲:風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)受到風(fēng)葉周期性力的作用，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)噪聲。

渦流噪聲:在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子表面上的突出物會(huì)影響氣流。由于粘滯力的作用，氣流分裂成一系列分立的小渦流，這種渦流之間的分裂使空氣擾動(dòng)，形成壓縮與稀疏過程，從而產(chǎn)生噪聲。

笛聲:氣流遇障礙物發(fā)生干擾時(shí)會(huì)產(chǎn)生單一頻率的笛聲，隨轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件之間氣隙的減小而增強(qiáng)。

通常在封閉式的電機(jī)中噪聲的形成不僅與機(jī)殼振動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)，而且還與聲源的大小和輻射的波長之間的關(guān)系有關(guān)，以及輻射表面的波節(jié)線分布情況有關(guān)，如果波長大于噪聲源的尺寸，那么隨著輻射體尺寸的增加，輻射聲強(qiáng)也增大。在電機(jī)的振動(dòng)噪聲中有兩個(gè)特點(diǎn)特別重要，往往只要加以適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，就可以取得明顯的防振降噪效果。一是轉(zhuǎn)子的平衡，電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡能產(chǎn)生顯著的振動(dòng)，而是電機(jī)的安裝和連接，電機(jī)的安裝與連接好壞可以大大改變電機(jī)本身和與之相連的元件的振動(dòng)噪聲情況。

目前世界各國對(duì)電機(jī)振動(dòng)和噪聲研究主要集中在電磁力波的研究，定子振動(dòng)特性及聲學(xué)特性研究，軸承和電刷的制造和裝配工藝，冷卻風(fēng)扇的合理設(shè)計(jì)和選用，主要采用吸、隔、消的方法與措施。

振動(dòng)是噪聲的來源，電機(jī)的振動(dòng)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)形式不同，原理也不盡相同，因此對(duì)汽車動(dòng)力總成的影響也不同，電機(jī)的振動(dòng)噪聲對(duì)車輛的吸聲和隔聲要求與傳統(tǒng)車不同，動(dòng)力總成懸置的設(shè)計(jì)也不同。對(duì)振動(dòng)的控制要從了解電機(jī)的特性本身基礎(chǔ)上進(jìn)行控制。

人體對(duì)振動(dòng)的靈敏度取決于振動(dòng)頻率，人體對(duì)振動(dòng)最敏感的頻率范圍是2-20Hz，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)感覺域是0.003g,不快域是0.05g，不可忍域是0.5g，電機(jī)的振動(dòng)波形式不是單一的正弦波，而是由許多不同頻率成分的波形成。

電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)使繞組絕緣和軸承壽命縮短，影響滑動(dòng)軸承的正常潤滑，振動(dòng)力促使絕緣縫隙擴(kuò)大，使外界粉塵和水分入侵其中，造成絕緣電阻降低和泄露電流增大，甚至形成絕緣擊穿等事故。另外，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，又容易使冷卻器水管振裂，焊接點(diǎn)振開，同時(shí)會(huì)造成負(fù)載機(jī)械的損傷，降低工件精度，會(huì)造成所有遭到振動(dòng)的機(jī)械部分的疲勞，會(huì)使地腳螺絲松動(dòng)或斷掉，電動(dòng)機(jī)又會(huì)造成碳刷和滑環(huán)的異常磨損，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重刷火而燒毀集電環(huán)絕緣，電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生很大噪音，這種情況一般在直流電機(jī)中也時(shí)有發(fā)生。電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的十個(gè)原因：1.轉(zhuǎn)子、耦合器、聯(lián)軸器、傳動(dòng)輪（制動(dòng)輪）不平衡引起的。2.鐵心支架松動(dòng)，斜鍵、銷釘失效松動(dòng)，轉(zhuǎn)子綁扎不緊都會(huì)造成轉(zhuǎn)動(dòng)部分不平衡。3.聯(lián)動(dòng)部分軸系不對(duì)中，中心線不重合，定心不正確。這種故障產(chǎn)生的原因主要是安裝過程中，對(duì)中不良、安裝不當(dāng)造成的。4.聯(lián)動(dòng)部分中心線在冷態(tài)時(shí)是重合一致的，但運(yùn)行一段時(shí)間后由于轉(zhuǎn)子支點(diǎn)，基礎(chǔ)等變形，中心線又被破壞，因而產(chǎn)生振動(dòng)。5.與電機(jī)相聯(lián)的齒輪、聯(lián)軸器有故障，齒輪咬合不良，輪齒磨損嚴(yán)重，對(duì)輪潤滑不良，聯(lián)軸器歪斜、錯(cuò)位，齒式聯(lián)軸器齒形、齒距不對(duì)、間隙過大或磨損嚴(yán)重，都會(huì)造成一定的振動(dòng)。6.電機(jī)本身結(jié)構(gòu)的缺陷，軸頸橢圓，轉(zhuǎn)軸彎曲，軸與軸瓦間間隙過大或過小，軸承座、基礎(chǔ)板、地基的某部分乃至整個(gè)電機(jī)安裝基礎(chǔ)的剛度不夠。7.安裝的問題，電機(jī)與基礎(chǔ)板之間固定不牢，底腳螺栓松動(dòng)，軸承座與基礎(chǔ)板之間松動(dòng)等。8.軸與軸瓦間間隙過大或過小不僅可以造成振動(dòng)還可使軸瓦的潤滑和溫度產(chǎn)生異常。9.電機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載傳導(dǎo)振動(dòng)，比如說電機(jī)拖動(dòng)的風(fēng)機(jī)、水泵振動(dòng)，引起電機(jī)振動(dòng)。10.交流電機(jī)定子接線錯(cuò)誤、繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路，同步電機(jī)勵(lì)繞組匝間短路，同步電機(jī)勵(lì)磁線圈聯(lián)接錯(cuò)誤，籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條，轉(zhuǎn)子鐵心變形造成定、轉(zhuǎn)子氣隙不均，導(dǎo)致氣隙磁通不平衡從而造成振動(dòng)。

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