高速鐵路振動及噪聲測試技術(shù)內(nèi)容簡介

前言：在電驅(qū)動系統(tǒng)中，電機、控制器引起的振動和噪聲問題變得愈加顯著。新能源汽車上，電機驅(qū)動系統(tǒng)的噪聲更加顯著。中高頻段上，整車噪聲基本由電機、驅(qū)動系統(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，為電機的電磁、PWM(脈寬調(diào)制)、機械及NVH性能優(yōu)化提供了一個完整的虛擬仿真過程及數(shù)據(jù)分析功能。

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

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

1、電磁噪聲

電磁噪聲來源于電磁振動，電磁振動由電機氣隙磁場作用于電機鐵心產(chǎn)生的電磁力所激發(fā)，而電機氣隙磁場又決定于定轉(zhuǎn)子繞組磁動勢和氣隙磁導(dǎo)。氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力是一個旋轉(zhuǎn)力波，有徑向和切向兩個分量。徑向分量使定子和轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向變形和周期性振動，是電磁噪聲的主要來源；切向分量是與電磁轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)的作用力矩，它使齒對其根部彎曲，并產(chǎn)生局部振動變形，是電磁噪聲的一個次要來源。還有很多設(shè)計和故障原因，也會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；異步電動機斷條；裝配氣隙不均勻等等。電磁噪聲的大小與電機氣隙內(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、機械噪聲

電機運轉(zhuǎn)部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結(jié)構(gòu)共振形成機械噪聲，主要是軸承和換向引起的。電機軸承在繁重的工作狀態(tài)下運轉(zhuǎn)時，滾珠和外圈滾道相接處會發(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)生振動和噪聲。軸承裝機后，內(nèi)外圈的配合及軸承游隙對電機噪聲也有一定的影響。換向噪聲在有滑環(huán)和換向器的電機中是不可避免的。換向噪聲有三種原因引起：

3、 空氣動力噪聲

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

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

渦流噪聲:在電機旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子表面上的突出物會影響氣流。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，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)生干擾時會產(chǎn)生單一頻率的笛聲，隨轉(zhuǎn)動部件和固定部件之間氣隙的減小而增強。

通常在封閉式的電機中噪聲的形成不僅與機殼振動強度有關(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，輻射聲強也增大。在電機的振動噪聲中有兩個特點特別重要，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，電機轉(zhuǎn)子的不平衡能產(chǎn)生顯著的振動，而是電機的安裝和連接，電機的安裝與連接好壞可以大大改變電機本身和與之相連的元件的振動噪聲情況。

目前世界各國對電機振動和噪聲研究主要集中在電磁力波的研究，定子振動特性及聲學(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)計和選用，主要采用吸、隔、消的方法與措施。

振動是噪聲的來源，電機的振動與傳統(tǒng)發(fā)動機的振動形式不同，原理也不盡相同，因此對汽車動力總成的影響也不同，電機的振動噪聲對車輛的吸聲和隔聲要求與傳統(tǒng)車不同，動力總成懸置的設(shè)計也不同。對振動的控制要從了解電機的特性本身基礎(chǔ)上進(jìn)行控制。

人體對振動的靈敏度取決于振動頻率，人體對振動最敏感的頻率范圍是2-20Hz，在這個頻率范圍內(nèi)感覺域是0.003g,不快域是0.05g，不可忍域是0.5g，電機的振動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。

電動機產(chǎn)生振動，會使繞組絕緣和軸承壽命縮短，影響滑動軸承的正常潤滑，振動力促使絕緣縫隙擴大，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，電動機產(chǎn)生振動，又容易使冷卻器水管振裂，焊接點振開，同時會造成負(fù)載機械的損傷，降低工件精度，會造成所有遭到振動的機械部分的疲勞，會使地腳螺絲松動或斷掉，電動機又會造成碳刷和滑環(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，電動機將產(chǎn)生很大噪音，這種情況一般在直流電機中也時有發(fā)生。電動機振動的十個原因：1.轉(zhuǎn)子、耦合器、聯(lián)軸器、傳動輪（制動輪）不平衡引起的。2.鐵心支架松動，斜鍵、銷釘失效松動，轉(zhuǎn)子綁扎不緊都會造成轉(zhuǎn)動部分不平衡。3.聯(lián)動部分軸系不對中，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，對中不良、安裝不當(dāng)造成的。4.聯(lián)動部分中心線在冷態(tài)時是重合一致的，但運行一段時間后由于轉(zhuǎn)子支點，基礎(chǔ)等變形，中心線又被破壞，因而產(chǎn)生振動。5.與電機相聯(lián)的齒輪、聯(lián)軸器有故障，齒輪咬合不良，輪齒磨損嚴(yán)重，對輪潤滑不良，聯(lián)軸器歪斜、錯位，齒式聯(lián)軸器齒形、齒距不對、間隙過大或磨損嚴(yán)重，都會造成一定的振動。6.電機本身結(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電機安裝基礎(chǔ)的剛度不夠。7.安裝的問題，電機與基礎(chǔ)板之間固定不牢，底腳螺栓松動，軸承座與基礎(chǔ)板之間松動等。8.軸與軸瓦間間隙過大或過小不僅可以造成振動還可使軸瓦的潤滑和溫度產(chǎn)生異常。9.電機拖動的負(fù)載傳導(dǎo)振動，比如說電機拖動的風(fēng)機、水泵振動，引起電機振動。10.交流電機定子接線錯誤、繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子繞組短路，同步電機勵繞組匝間短路，同步電機勵磁線圈聯(lián)接錯誤，籠型異步電動機轉(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。

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