（电机与电器专业论文）汽车门镜马达噪声的改善研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期：z 型生! l ，g 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 期：丘型! 玉 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍本课题的背景，分析门镜马达的现状和发展趋势。对现有改善马达振动噪声的 各种分析方法进行总结和比较优缺点。针对本公司现有生产中存在的问题，提出本文的研究内容。 1 1 门镜马达应用及课题背景 永磁直流电机具有结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机形状和尺寸可以灵活 多样性等显著性优点，在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到了广泛的应用。随着社 会、经济、文化的不断发展，永磁电机行业也在稳步高速发展，特别是近年来，永磁直流微电机行 业随着视昕、信息领域以及家电、汽车行业的高速发展，得到了快速发展。永磁直流电机在汽车 中应用很广，有数十个装置的驱动源是马达，在某些型号的汽车中使用达六十余只马达。门镜马达 作为车门后望镜的驱动装置，一般是成对使用，用以调节门镜上下左右的角度大小。 随着人们对生活品质追求的不断提高，对于汽车这一消费品，消费者的要求也不断提高，特别 是对于噪声的要求，也越趋于严格。目前，在各国汽车企业中，都在积极开展各种相关的研究，力图 有较大的突破，在品质上达到及超越客户的要求，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地汽车 用马达在汽车噪声谱中扮演着重要角色。在汽车使用者听力所及范围之内，所使用的马达在嗓声 方面的表现越受到汽车厂商及消费者的关注。因而，在近年中针对相应之马达，如门窗马达、空调 马达、门镜马达等均在噪声品质要求上趋于严格，一些厂商对供应商提供的马达的噪声做出严格 的要求。 本文作者所在企业所生产的门镜马达在噪声方面存在刮程能力不足状况，所生产之马达杂芦 次品率较高，严重影响生产效益和客户的信心，因此需要研究和探讨针对此类电机有效的改善方 法，改善产品品质，以降低次品率，满足客户要求，提高生产效益，使企业在激烈的竞争中立于不败 之地。 i 2 永磁直流微电机振动i 凝声研究现状与发展 在现阶段，据文献 1 资料介绍，对于永磁直流微型电机的噪声成分可分为机械噪声、电磁噪 声和空气动力噪声。三者的比重也经研究得出前两者约占8 0 至9 0 ，而空气动力噪声仅占1 0 左 右，甚至可以忽略不讦。而在机械噪声和电磁噪声的分布中，机械噪声约占7 5 9 6 ，电磁噪声约占2 5 。 对于机械噪声，主要是轴与轴承摩擦、转子振动、电刷与换向器的摩擦以及电刷片振动引起。由 于滑动轴承结构简单，运转时可形成良好油膜润滑转轴，有效降低摩擦噪声和间隙振动噪声，故永 硪直流微电机大多采用滑动轴承。对于电枢，影响噪声的主要因素是转子转动时的不平衡引致转 子振动进而产生严重的噪声。对于电磁噪声，主要是电磁力作用于定、转子之间的气隙中，旋转转 东南大学工程硕士论文 矩产生波动进而引起振动而形成噪声。在换向过程中也伴有换向火花导致的电磁噪声产生。可以 看出，无论是机械噪声还是电磁噪声，振动是一个极其重要的影响因素。 在定型的设计中，工艺师通过科学的工艺、工装设计来限制机械振动噪声以及辅助达到理论设 计要求，从而在整体上从设计到制定工艺，再到大批量生产，在整个过程中预防、治理电机噪声，以提 高质量能力和效益。在文献 1 4 中，综合地总结和反应了近年来多个研究单位和学者对降低永磁 微电机噪声的研究成果，包含各种用途和结构的微马达在生产工艺中的控制要点。分析总结出马达 噪声的成分和比例，将噪声划分为机械噪声、电磁噪声和空气动力噪声，再对不同成分噪声的产生原 因进行分析，并提出相应的改善措施。对于永磁直流微型电机，文献 1 中总结出各种降噪工艺措施 效果的权重，由高到低依次为：1 ) 限制轴向窜动；2 ) 转子校动平衡：3 ) 换向器高速切削：4 ) 磁瓦定位夹 具：5 ) 电刷预磨成型：6 ) 绕线和点焊质量：7 ) 轴承润滑处理：8 ) 轴承压装等。降噪工艺措施包含了转子 组件、端盖组件、定子组件和总装等四部分中相应的关键点，为今后的研究提供了丰富的资料。 永磁电机的齿橹转矩会产生振动和噪声，对其进行精确计算和寻找减小转矩波动措施是许多学 者的关注问题。这也是在电机设计中要考虑的熏点。国内外学者进行了大量的研究，提出了一系列 方法，可分为两类：一是从控制策略上加以抵制，如谐波电流控制、力矩观测控制等，是一种被动式的 抑制方法：二是从电机本体的结构参数出发，利用电机结构设计以抵消磁阻转矩，是一种主动的本质 性的消除方法。 在理论上，传统的等效磁路法将永磁体处理成磁势源或磁通源，其余按照通常的电机的磁路计 算来进行。优点是形象、直观、计算量小。但由于永磁电机磁场分布复杂，仅依靠少量集中参数构 成的等效磁路模型难以描述磁场的真实情况，使得一些关键系数如极弧系数、漏磁系数等，只能借助 于经验数据或曲线。采用场路结合的分析方法，是指将磁场和磁路相结合，利用电磁场数值计算极弧 系数、漏磁系数等磁路法中不易准确计算的参数，然后将这些参数结合到磁路法的计算中，以提高计 算的准确性。 现在电磁场数值计算法是进行精确性能分析的有效途径。电磁场数值计算法包括有限差分法、 有限元法、积分方程法和边界元法。其中有限元法已获得广泛的应用。有限元是二十世纪六十年代 由工程师c l o u g h 在解决飞机结构的平面弹性问题中提出。到七十年代由科学家0 c z i e n k i e w i c z 等人推广到电磁场等领域，到九十年代在电机领域得到了广泛的应用。1 9 9 5 年，c r a i u0 等发表文 章，运用有限元法计算永磁直流电机的电磁转矩随转子旋转而波动的情况，将分析研究由静态有跟 元推广到为动态有限元计算。 在现在，己普遍采用有限元法研究各种情况下的齿槽转矩计算问题，探讨精确计算和减小转矩 波动。各国也开发出各种利用有限元方法的分析、开发、设计软件系统应用于微型电机行业。文献 1 4 中介绍了运用有限元分析法对永磁电机进行磁场分析，通过优化设计越极形状，降低磁阻转矩 以降低马达噪声。其它的研究也获得很大进展，包括斜槽或斜极情况下齿槽转矩的计算问题，齿槽形 状、尺寸和极弧宽度以及永磁充磁方式对齿槽转矩的影响等。 2 第章绪论 国内学者对永磁磁场也做了大量的研究。唐任远教授编著的 一书 采用以等效磁路解析求解为主，结合磁场数值计算的方法对多种永磁电机的原理、结构、设计进行 研究，总结了近年来永磁电机的研究成果。文献 6 中提出了区域函数和单极性边沿函数两个概念， 利用这两个函数定量分析了永磁电机齿槽定位力矩，并提出了针对非重叠绕组结构的方波型永磁无 刷直流电动机，通过优化磁钢极弧系数和排列系数来削弱齿槽定位力矩的新方法。文献 8 中介绍 了从谐波分析的角度，对定子齿面加辅助凹槽和转子磁极分段位移两种抑制磁槽转矩方法的原理进 行了阐述，指出了在定子齿面加辅助凹槽可有效消除低次谐波分量，同时可使气隙磁导分布函数接 近于正弦，有效减小磁阻转矩。文献 9 中利用最小二乘法，对边界元法计算所得永磁体磁钢产生的 气隙磁场进行曲线拟合。为试算法提供修改磁钢形状的数据，并通过对电机磁钢的表面形状进行拟 合，解决了磁钢形状的跳变现象，可获得永磁体电机磁钢的唯一形状。文献 1 0 中利用磁钢工作点确 定原理，利用相对图解法，论述并推导出只需利用一个计算公式就可设计不等厚瓦形磁钢各磁钢元 厚度变化规律的设计方法，且适用于各种规格电机；对铁磁磁压降非线性问题带来的设计复杂化问 题也可通过图解法逐一求解解决。文献 1 1 中利用永磁电机三维气隙磁密波形分析了轴向双削角等 厚瓦形磁钢对齿槽电枢永磁电机定位转矩和电枢元件感应电势波形的影响。认定了此种特殊设计的 磁极有理想的磁密波形、稳定的充磁性能，磁钢完全利用，且只需传统的电机结构和工艺就可实现优 异电机性能。 1 3 本课题的研究内容、目的和意义 在现有研究基础上有许多改善马达噪声的方法，但是并不能都运用于微型永磁直流马达，特 别是对特殊的汽车门镜用马达。因此在现有的马达结构设计和工艺工装基础上如何作局部的改良 以控制和改善马达噪声也显得尤其重要。 本论文在现有研究基础上，针对门镜马达的噪声作进一步的分析，从物体运动的自由度开始 分析，以有噪声就是有振动为依据，重点分析马达的各种振动噪声，将马达的振动噪声合理地划分 为机械振动噪声和电磁振动噪声加以分析改善，其中电磁振动噪声是指与磁场引起的些不良因 素有关联的噪声。重点主要是对电枢失平衡、电枢径向和轴向振动以及电刷片振动进行分析，并 分析磁阻转矩和充磁工具对噪声的影响，采用理论与比较试验论证相结合的方法对各个相关因素 和工序的改善进行验证，找出各个相关因素和工序的合理选择。另外在工艺上，对影响马达振动噪 声的几个关键因素的工装夹具提出改怠方案。全文的目的是在总体上，从马达的结构设计及生产 工艺上对马达的噪声进行控制和改善，为现有的马达和今后的开发研究提供改善的方法，解决生 产上的实际问题，提高产品的质量，增强产品竞争力。其研究成果有着现实和理论上的意义，已 解决着实际问题，为企业带来着效益。 3 东南大学工程硕士论文 第二章电机机械振动噪声的控制与改善 本章主要对永磁微电机机械振动噪声的形成原理进行分析，对现有控制改善方法进行总结， 进一步对现有生产的门镜马达存在的问题进行分析并提出控制和改善的方案，且采用试验方法以 论证改良后的效果。 2 1 微电机机械振动噪声形成的原理分析 2 i i 振动分析 在微电机中，转子应有四个自由度，一是绕轴的旋转自由度，二是轴向存在的间隙，还有两个 是轴承径向存在的间隙。其中后两个间隙很小，通常只有几个微米。但由于这些因素的存在，即使 是只有几微米的间隙，也影响着马达的振动噪声。 ( 1 ) 在n 、s 两磁极下产生的电磁力乃w 与曩孵作用下，电动机转子产生旋转运动，旋转 f = 1f = l 部件的每个单位质点受离心力作用，均产生一下径向旋转力矢。如图2 - 1 ，这些力矢合成后，大部分 被相互抵消，没有被抵消的力矢，折算到电动机轴承a 、b 二端，分别为j 1 a 和f 音。这两个旋转力 矢，持续作用在转子的轴承部位，引起受迫振动。振动通过轴承、端盖和铁壳，影响到整个电机 产生振动与噪音。 f 图21 转子振动示意图 4 f b 第二章电机机械振动噪声的控制与改善 ( 2 ) 在马达内，电枢在轴向有一定的活动空间即间隙d ，如图2 - 2 所示，当电枢在旋转时，如电 枢在该间隙内来回窜动，则会对轴承形成撞击，再传递到铁壳和端盖向外发出振动噪声。当马达内 的垫圈以及定位圈的表面不平拯，垂直度差时，以及磁场中心线设计不当时均易造成电枢窜动。 图22 马达电枢轴向窜动示意图 ( 3 ) 对马达两端轴承内孔而言，与电枢轴配合有一定的间隙，电枢在高速旋转时，由于电枢本 身必定有一定的失平衡存在，且由于转子所受各种不同的电磁径向力，转子与轴承一动一静，两者 间产生摩擦甚至是碰撞，严重时出现混沌运动，表现为复杂的震动，加重马达噪声。轴承与轴间的 间隙配合情形可分为两种，一种为同心度差形成了轴向倾斜，如图2 - 3 ，另一种为径向的碰摩，如图 24 。 图2 3 轴孔配合示意图 ( 4 ) 电刷片振动分析 图2 4 轴孔配合示意图二 当电刷在换向器上高速滑动时，由于换向器表面并不十分光滑，而且换向片间存在槽隙，换向 片间也存在跳动，故造成电刷的径向振动而产生噪声。其中换向器的圆度和片间跳动是影响噪声 的关键因素。 5 东南大学工程硕士论文 2 1 2 影响机械振动噪声的原因 ( 1 ) 转予不平衡产生振动 ( 2 ) 转子产生轴向窜动： ( 3 ) 电刷变形及换向器表面有伤痕引致转子受力不均：电刷压力不适 ( 4 ) 轴与轴承摩擦产生噪声： ( 5 ) 机壳端盖轴承加工精度差，中孔同轴度超差 ( 6 ) 部件共振： ( 7 ) 润滑油的影响： ( 8 ) 操作工装的影响： ( 9 ) 操作工人素质的影响。 2 2 机械振动噪声的抑制和改善措施 在当前，对永磁直流微电机的振动噪声研究的结果，参见文献 1 、 2 、 3 、 4 ，一般来说 主要是控制以下几个方面的因素。 ( 1 ) 通过动平衡工艺，消除转子上不平衡的质量，将其有害振动压制在一定范围内。 ( 2 ) 控制转子在磁钢的位置，应保证轴向磁推力( 或拉力) 合适，并防止转子轴向窜动。 ( 3 ) 保证电刷无变形。增加适当的避震胶在电刷片上。 ( 4 ) 控制机壳与端盖轴承同心度，应严格于0 0 2 j m 以下，表面光滑无毛刺。轴承与机壳的同轴 度控制在0 0 5 1 m 以内。 ( 5 ) 当在轴承压入机壳和端盖时，采用一根尺寸精度高的硬质合金芯轴，先把轴承套在芯轴上 然后再压进机壳或端盖的轴承室中。组合后会有一个较理想的间隙，且轴承内圈较平整。 ( 6 ) 提高支承转子的机壳和端盖的倔强强度，如加厚机壳和端盖的壁等。 ( 7 ) 含油滑动轴承含油量为1 8 以上。 ( 8 ) 改善提高总装工具的工序能力。 6 第二章电机机械振动噪声的控制与改善 ( 9 ) 加强提高操作工人的技术水平和品质意识。 2 3 门镜马达机械振动噪声的分析和采取的抑制改善方法 对于本文作者所在公司生产的门镜马达而言，马达噪声是目前要改善的重要项目。一些型号 噪声制程能力( c a p a b i l i t y ) 的不足，已极大地影响了客户信心和马达的生产。因此，需专门针对门 镜马达的振动噪声作进一步的分析探讨，提出抑制改善方法。 2 3 1 门镜马达振动噪声的分析探讨 在现有生产的门镜马达中，一些型号的噪声制程不足，受到了客户的投诉。对生产的取样及客 户投诉的样板进行比较分析发现，这些马达噪声包含多种情况。一是马达运转时声音太大，d b ( a ) 值超过规格：二是异常的声音，虽然此时运转声不大，d b ( a ) 值未超过规格，但引致人耳听时感觉马 达运转时声音较差，即声品较差，其中一种异常的杂声主要是电枢在马达内来回窜动撞击轴承引 起的。因此对于门镜马达的噪声主要可以划分为两种情况，一种是声音大，另一种是存在不纯的杂 声，其中以第二种尤为严重。主要是要对第二种情况进行改善。 2 3 2 电枢失平衡的关键因素及改善控制方法 在现有的门镜马达电枢结构中，芯片为三瓣。电枢的失平衡会造成马达在运转时轴与轴承内 孔的摩擦加剧产生碰摩，进而产生噪声。由电枢结构性决定它主要影响着1 倍频、3 倍频等低频段 的强度。要降低马达的噪声，就须控制电枢的失平衡量。比较发现，影响电枢失平衡的因素主要集 中在以下几个因素中：a ) 冲芯片时芯片本身引致的失平衡；b ) 电枢绕线时的排线：c ) 加焊圆形压敏 电阻时引致的失平衡。 1 ) 对芯片厚度不均影响的改善 现生产的门镜马达均采用0 5 m 厚硅钢片材料，铁芯厚度为9 一+ 0 0 3 5 0 0 一。在芯片生产工艺中， 采用的是高速冲床，每一片芯片相对位置是不变的。当来料厚度出现偏差时，一般是来料中间部份 厚度均匀，两边变薄，存在一定坡度，厚度变化有一定的规律性。受这些因素的影响，冲芯叠加时铁 芯同样会出现在某一方位上出现厚薄，从而引致铁芯失平衡。 如采用扭片的工艺，则可将芯片中失平衡质点分散在不同圆周角上。如图2 - 5 所示，将芯片相 互之间转动一瓣，即1 2 0 度，由此可使原来处于相同位置的失平衡质点相互之间错开1 2 0 度空间位 置，每3 次则形成一周，相互抵消，在一定基础上使质心回归中心位置，在一定程序上减少铁芯的失 平衡量。 7 东南大学工程硕士论文 图25 扭片平衡示意图 在现有的生产中，对于整个电枢而言，如采取每一芯片相互之间转动1 2 0 度，则需转动1 8 次， 那对生产的效率将有较大影响。为提高效率，生产中原本采用每次扭转2 片，现在更改为每次扭4 片。通过研究电枢的总芯片数与扭片次数的关系，以及抵消失平衡的原理，可发现如下的关系： 表2 - 1 单次扭片数与未抵消芯片数关系表 单次扭转芯片数 每只电抠所需总扭转次数存在的未抵消芯片数 1 1 8 0 29o 总芯片数为1 8 片 360 45 2 至4 片 5 43 片 630 由此可以看出。采用单次扭转1 、2 、3 、6 片时，最终未中和抵消的片数均为0 片，而单次扭转 为4 片时，未中和抵消的片数达到2 至4 片，单次扭转为5 片时，未中和抵消的片数达到3 片。由 此看来在同样的效果中，采用单次扭转6 片时，生产效率最高。 采用试验测量单次扭转2 、4 、6 片时的失平衡数作比较。型号：1 0 9 1 8 马达；失平衡量测试 机：h o e m a n n 肝7 。实验时采用同一条芯片来料进行扭片，其中单次扭片2 片和4 片采用扭片机进 行，由于没有6 片扭片机，故采用人手扭片代替。冲芯叠加后直接加定位圈测量失平衡量。 8 第二章电机机械振动噪声的控制与改善 以下用e f 表示电枢机壳端失平衡量，e r 表示电枢端盖端失平衡量，2 、4 、6 分别表示单次扭 转之片数。采用m i n i t a b 软件运用单因素方差分析方法( 0 n w a ya n o v a ) 进行分析结果如下： o n ew a ya n o v a ：e f 2 ，e r 2 ，e f 4 ，e r 4 ，e f 6 ，e r 6 a n a l y s iso fv a t i a n c e s o u r c ed fs sm sfp f a c t o r52 5 7 75 1 54 9 00 0 0 0 e r r o r1 3 41 4 0 8 81 0 5 t o t a l1 3 91 6 6 6 4 l e v e l e f 2 e r 2 e f 4 e r 4 e f 6 e r 6 n 3 0 3 0 3 0 3 0 1 0 1 0 p o o l e ds t d e v i n d i v i d u a l9 5 c i sf o rm e a n b a s e do np o o l e ds t d e v m e a ns t d e v + 一一+ 一 +十 2 0 8 06 7 0 ( 一一 一一) 1 5 3 8 5 5 3 ( 一一 一一) 2 3 6 21 1 8 9 ( 一一一 一一) 2 7 9 51528(-牡一) 2 3 4 08 2 2 ( 一一一* 一一一) 1 9 5 06 8 5 ( 一一一一 一一一) 4 + h p 1 0 2 51 2 01 8 0 2 4 03 0 0m g 圈2 - 6 扭片电枢失平衡量比较图 m i n i t a b 软件a n o v a 分析说明 1 ，分析前建立假设：m 表示各组数据平均值相同。 k 表示至少有一组数据的平均值与其它组数 据的不同。确定a 风险水平，即如为真而被拒绝所产生错误的风险，一般取为a ：o 0 5 。 2 ，差异分析( a n a l y s i so fv a r i a n c e ) 结果中，由分析的p 值来观察各组数据差异的显著性，如 p a ，则差异具有统计显著性。如p a ，刚说明差异不具有统计显著性。括号中虚线范围( _ 一一) 表示各组数据平均值置信区间， 为样本平均值。 9 东南大学工程硕士论文 3 箱图( b o x p l o t ) 中矩形范围表示样本中靠中间的5 0 的数值范围，矩形范围内横线表示样本 中间值，红点表示样本平均值，矩形外上、下端的细直线段分别表示上、下2 5 的数值范围。 为超 出正常分布的异常点。 实验结果分析 a ，从以上实验数据结果可知，p 值小于0 0 5 。各组数据存在显著差异。 b ，采用每次扭片2 片和6 片最终铁芯的失平衡量优于每次扭片4 片。由此可以看出这与上 述的理论分析是相符的。 证 结论 总结上述过程可以得出，对于不同的芯片数n 以及槽数q ，当选择每单次扭片数k 时应尽量保 誓= n q ， 其中n 为正整数， 这样，方可完全达到设计目的。因此由原理上可以判断，在现生产中将每次扭片数由2 片改为 4 片以提高一倍生产率的做法是不妥的，应作出修正。 2 ) 电绕工序排线改善 在现有的三槽电枢中，对于容槽能力充足( 槽满率低) 的型号中，按照正常的排线，即是内外边 排线圈数保持一致，对于电枢的影响亦不是很大。但在容槽能力低( 槽满率高) 的型号中，由于绕线 时三瓣有先后，如安排不好，则易出现晟后一瓣排线位置严重不足的情况，按理论分析可以知道， 三瓣线圈的重心逐步向外移，则必然使失平衡加大。 为改善此种情况，经过各种搭配比较，再对槽的形状分析可知，虽然槽的底部较大，但由于线 圈较大，难有容下两瓣线圈的能力。 在理论上分析，对于容槽能力低的型号，当第一瓣绕好后，则线槽底部必然空间减少，则相应 的第二瓣电枢在绕线时线圈重心必然向外移动，以此类推，第三瓣重心更靠近外径圆周。如图2 7 所示，相对应各瓣线圈重心半径值，d l d ： 0 0 5 判 定，两组马达投有显著的差别，但a 组平均值低于b 组，另采用共鸣箱进行测试时，a 组明显好于b 组，没有出现电枢窜动的现象。 采用此种消除轴向间隙的设计方法，为消除马达的振动噪声提供了一种新的设计思路。 2 3 5 电刷片振动的研究 在马达噪声分析中发现，在端盖处发出的噪声比较大。按照理论上的分析，在马达高速运转过 程中，电刷片与换向器表面在圆周方向产生相对滑动，当换向器表面不光滑和圆度不好时，则会引 起电刷片径向高频跳动，电刷片的高频振动则会引起不良噪声。电刷片此频率与马达的转速与换 向片数有关。电刷片的设计形状也直接影响其本身的振幅。要从根本上降低电刷片的振动噪声， 就要改善换向器的品质。 1 ) 换向器圆度改善的试验 由于换向器表面存在不光滑、圆度差等因素，以及电刷跨瓣时挟向片问的跳动，均会引致电刷 片的振动，从而导致噪声的产生。因此必须采取相应的措旆避免或是抑制电刷的振动。现有门镜 马达使用的换向器每瓣铜片的圆度均较差，如图2 - 2 1 a 呈现为弓形，中间凸起。由此就可引起电刷 在每转一周的过程中跳动三次，形成3 倍频噪声的加剧。针对此不良现象，现对换向器进行改良， 将换向器铜片的形状改为圆弧形，使整个换向器圆度良性化，如图2 - 2 1 b 示。由此可以降低电刷片 在转动过程中的径向跳动量。 实验分别采用此两种换向器制作1 1 8 0 3 马达进行比较，其它因素保持一致，电枢失平衡量控制 于7 0 m g - m x 。 2 3 东南大学工程硕士论文 a 组：原有之换向器：b 组：改善圆度之换向器。 测试结果如下： ( 。) 现有之换向器圆度 ( b ) 改善圆度之换向器圆度 图22 1 改善前后换向器例图 改良前后换向器圆度比较 o n e - w a ya n o v a ：g r o u par o u r l d f f l e s s ，g r o u pbr o u n d n e s s a n a l v s i so fv a r i a n c e s o u i c ed fs s m sfp f a c t o r 11 1 9 8 51 1 9 8 5 5 7 4 70 0 0 0 e r r o r5 81 2 d 9 5 2 0 9 t o t a l5 92 4 0 8 0 i n d i v i d u a l9 5 c i s f o rm e a n b a s e do ep o o l e ds t d e v l e v e lnm e a n s t d e v 一+ 一一十一_ 十 g r o u pa 3 07 1 5 0 1 6 8 1 卜一一一) g r o u pe 3 04 3 2 31 1 5 1 ( + ) 一+ 一+ 一十一一 p n n l 。ds rr k u ，1 4 4 44 86 0 7 2 篁三童宣垫型! 焦篓垫鉴妻盟笙型量垫董 图22 2 改善前后圆度比较 两组马达b ( a ) 值比较： o n e - w a ya n o v a ：a ( c w ) ，a ( c c w ) ，s ( c w ) 。s ( c c w ) a n a l v s i so fv a r i a n c e s o l l e o ed fs sm s fp f a c t o r35 2 4 71 7 4 93 0 20 0 4 2 e r r o r3 62 0 8 5 05 7 9 t o t a i 3 9 2 6 0 9 7 i n d i v i d u a l9 5 c i sf o rm e a n b a s e do hp o o l e ds t d e v l e v e lnm e a ns t d e v 一一+ 一+ + + 一一 ac c w l1 04 9 6 0 02 9 i 4 ( 一一一一) a f c c w l i 05 0 i 0 02 5 i 4 ( 一一一一) b ( c w )i o7 2 0 01 9 8 9 卜一一一一) b ( c c w )1 04 8 2 0 02 0 9 8 c 一一一) _ _ + 一+ 一+ 一 p o o l e ds t d e v =2 4 0 746 04 8 0 5 0 05 2 0 图2 2 3 改善前后马达d b ( a ) 比较 东南大学工程硕士论文 马达噪声频谱图如图2 2 4 所示 图22 4 马达噪声频谱图 比较马达的振动结果如下： 0 n e l a ya n o v a ：a ( 删) ，a ( c c w ) ，b ( c w ) ，b ( c c w ) a n a l y s i so fv a r i a n c e s o u r c e d fs sm sfp f a c t o r 3 1 4 5 日1 4 8 4 78 8 4o 0 0 0 e r r o r1 9 61 0 7 4 6 25 4 8 t o t a l 1 9 91 2 2 0 0 3 l e v e l n a c w 】 5 0 a ( c c w ) 5 0 b ( c w ) 5 0 b ( c c w ) 5 0 i n d i v i d u a l9 5 c i sf o rm e a n b a s e do np o o l e ds t d e v s t d e v 一一+ 一+ 一+ + 2 4 2 2 2 4 3 9 2 1 6 3 2 3 3 1 一) p 一) ) 一一一一、 “+ + 一 9 0 1 0 01 1 0 图2 2 5 改善换向器前后马达振动比较 2 6 重耋船一 第二章电机机械振动噪声的控制与改善 实验结果分析 对于使用改良后的抉向器的马达d b ( a ) 值均有降低，对频谱图进行比较分析可以看到，3 倍频 有所下降。3 n 倍频也都有所下降。在各共振点处共振频率范围变窄，如在8 1 倍频，约1 2 k h z 处的 谐振宽度有所变窄。马达的振动也相应变小，但各谐振点没有减少。因此这对于此种改善方法，对 噪声的幅值有所降低，但未减少楣应的谐振点。 另参考工程部在试验1 1 8 0 7 的结果如下，其中a 组：原有换向器：b 组：改善圆度之换向器。 两组马达c w 和c 凹两个方向的d b ( a ) 值比较如图2 2 6 ： 图22 61 1 8 0 7 改善换向器圆度前后马达d b ( a ) 比较 两组马达在c w 和c c w 两个方向的振动值比较如图2 - 2 7 ，单位为m s 2 圈2 2 71 1 8 0 7 改善换向器圆度前后马达振动比较 两组马达在c i r 和c c w 两个方向的声品值( s t a t i o n a r yl o u d n e s s ) 比较如图2 - 2 8 所示，单位为 宋( s o n e ) 。 东南大学工程硕士论文 图22 81 1 8 0 7 改善换向器圆度前后马达声品响度比较 由上述的试验结果也同样表明改善换向器的圆度后，马达的噪声得到改善，马达的声品也得到 了改善。 2 ) 采用避震胶抑制振动 由于马达结构上的局限性，对于三瓣电枢马达，必然存在三倍频噪声。因此需采取相应的抑制 措施来降低。 对于电刷片的振动，可采用避震胶来抑制其振动。电刷片相当于一有弹性的薄板或是细棒，当 其在换向器上滑动而产生振动时，是靠其本身的弹性回复的，即它的弹性恢复力是由其自身决定。 在电刷片上增加避震胶可咀吸收电刷片的震动能量，也可以加强电刷片强度，帮助电刷片复位，减 小振幅。 由文献 5 细棒横振动的理论分析结果可知，它的简正频率为厶= 三善i 。 对于n 次简正频率对应的简正振动方程式可写成： 锄b ，= 卜( c o s h 争r c 。s 争刁+ ( s i n h 争z “n 字x c 。s 协卜， 按照方程分析细棒横振动作图可表示为图2 2 9 ( 2 - 1 ) 第二章电机机械振动噪声的控制与改善 图23 0 电刷增加避震胶示意图 实验数据比较结果如下： 其中：a 组代表1 0 9 1 8 马达，有避震胶：b 组代表1 0 9 1 8 马达，无避震胶 c 组代表1 1 8 0 3 马达，有避震胶；d 组代表1 1 8 0 3 马达，无避震胶 c c w 和唧代表两个转向 一一查塑盔堂三里堡主堡塞 a 组与b 组比较结果如下： o n e w a ya n o v a ( d b ( a ) ：a ( c c w ) ，a ( 0 0 ，b ( c c w ) ，b ( c w ) a n a l y s i so fv a r i a n c e j o l 】= l - c e f a c t o r l r r o r t o t a l l e v e l a ( c c w ) a ( c w ) b ( c c w ) b ( c w ) d fs s 39 3 4 0 3 68 3 0 0 3 91 7 6 4 0 nm e k r l 1 04 6 3 0 0 1 0 4 6 1 0 0 1 04 9 6 0 0 1 0 4 8 8 0 0 鸺 fp 3 1 ，1 31 3 5 00 0 0 0 2 3 1 i n d i v i d u a l 9 5 c l sf o rm e a n b a s e do i lp o o l e d s t d e v s t d e v - + 。 1 8 8 9 ( 一 一) 1 5 2 4 ( 一一一 一一一) 1 5 0 6 (+ 一一) 1 0 3 3 ( 一一$ 1 一+ 一一一+ 一一一+ 一 p o o l e ds t d e v =1 5 1 8 c 组与d 组比较结果如下： o n e w a ya n o v a ( d b ( a ) ：c ( c c w ) ，c ( c w ) a n a l y s i so fv a r i a n c e s o u r c ed fs s m s f a c t o r32 5 6 48 5 5 e r r o r3 61 4 7 0 14 0 8 t o t a l3 91 7 2 6 5 l e v e l c ( c o w ) c ( c w ) b ( c c 蚋 d ( c 蚋 nm e a n 1 04 8 7 0 0 1 04 8 4 4 0 1 04 9 8 1 0 1 05 0 4 0 0 p o o l e ds t d e v = 2 0 2 1 4 6 54 8 04 9 5d b ( a ) d ( c c w ) ，d ( c w ) fp 2 0 90 1 1 8 i n d i v i d u a l 9 5 c i sf o rm e a n b a s e do np o o l e ds t d e v s t d e v 一一一一十一一一+ 一一一一一一一+ 一一一一一+ 1 7 9 4 ( 一一：# 一一) 1 8 3 1 ( 一一 一一一) 2 4 9 5 ( - - 一一一) 1 8 8 1 ( - - 丰一一1 一一一一+ 一一一一一+ 一一一一一一+ 一一一+ 4 8 0 4 9 55 1 05 2 5d b ( a ) 表2 6 ：1 1 8 0 3 马达电刷片弹力比较( 规格：2 5 3 5 g m s ) 编号 有避震胶无避震胶 正极负极正极负极 13 43 23 23 0 23 43 43 33 2 33 33 33 43 2 43 33 13 43 4 53 43 23 43 3 m a x3 43 43 4 3 4 m i n3 33 l3 23 0 a v e r a g e 3 3 63 2 43 3 43 2 2 s t d0 5 51 1 40 8 91 4 8 3 0 第二章电机机械振动噪声的控制与改善 试验数据分析 1 ，由电刷片弹力数据比较可以看出，有无避震胶对于电刷片弹力的大小影响并不大。 2 ，由1 0 9 1 8 马达的d b ( a ) 值看，p 值为0 0 0 5 可以断定，有无避震胶对马达的d b ( a ) 的影响是 显著的，有避震胶的马达比无避震胶的马达要低得多：由1 1 8 0 3 马达的数据分析看，p 值为0 1 1 8 ， 大于0 0 5 ，有无避震胶对马达的d b ( a ) 的影响不显著，但由均值看，有避震胶的马达比无避震胶的 马达要低。 3 ，对马达的其它性能进行测量，空载电流转速和负载电流转速差别不大。 2 4 一种分析负载噪声方法的介绍 在分析菜些型号的客户投诉样板马达中发现，客户投诉的问题的焦点在于客户在将马达装到 客户装置即门镜装置后出现异常的噪声。依据客户使用的实际状况分析，客户在马达轴上安装的 是蜗轮，蜗轮与另一个齿轮配合，受到蜗轮与齿轮啮合作用力的的作用，马达电枢在运行时是靠向 端盖或磁底侧运行的。 受啮合角度的决定，马达轴所受的力不完全是轴向力，而是带有径向分量，传递到轴承处时形 成铁枝紧靠轴承内孔面的转动摩擦状况，形成有如电枢轴弯曲时的状态，当轴承孔较大时，与铁枝 配合则形成如图2 - 3 1 状态，接触面小，此时铁枝与轴承面接触位油膜难以形成，易造成金属干磨擦 马达声音加大。 图2 3 1 轴与轴承干摩擦形成示意图 由于客户装置中实际负载约为? o g ，故如直接采用增加7 0 9 负载在电枢轴上的方式，则需将马 达上、下方向放置，从而达到将电枢牵引至磁底端或胶盖端，但马达运转时，负载的摆动较大，与实 际条件不相符。 图2 3 2 中采用同极磁极相斥、异极磁极相吸的原理，设计不接触式增加负载方式，因此可避 免接触式引起的震动。采用此种分析方法可以试验比较多种不同负载、不同负载方向对噪声的影 响。调整磁铁的同心度和位置可以达到增加径向负载的效果。 3 1 东南大学工程硕士论文 图2 3 2 马达负载噪声测试示意图 经比较分析发现，采用此种方法可以方便对马达进行分析。在上述的一些试验中，运用了此法 帮助实现电枢在马达内靠磁底和靠端盖不同方向时噪声的变化模拟。 2 5 小结 本章中系统地分析了影响门镜马达机械振动噪声的关键因素以及防治工艺改善的措施。从噪 声即是有振动，有振动既是有振动空间，有振动空间即是有相应自由度出发进行分析，对马达转子 电枢的自由度进行分析，从各个不受控的自由度着手，对其的抑制指出了控制的要点，包含电枢的 失平衡，含油轴承的孔径、形状和含油量，铁壳的厚度以及电枢的轴向窜动，还有电刷片的振动和 避震措施等，并对提出的这些要点采用实验比较方法论证。对现有的门镜马达机械噪声的改善作 出综合总结，另外提出一种简单而方便的马达噪声分析方法。 3 2 第三章电机电磁振动噪声的控制与改善 第三章电机电磁振动噪声的控制与改善 本章主要对永磁微电机电磁振动噪声的形成原理进行分析，对现有的控制和改善方法进行总 结，进步对现有生产的门镜马达存在的问题进行分析并提出控制和改善的方案，且采用试验方 法以论证改良后的效果。 3 1 微电机电磁振动噪声形成的原理分析 3 1 1 电磁振动形成分析 在电机转子上除了残存的不平衡质量外，因电磁不均匀分布所引起的振动，是无法通过动平 衡工艺将其消除。电磁不均匀导致永磁直流电动机存在着转矩脉动，其中一种是换向引起的，另 一种是齿槽效应引起的。其主要是对电机转速平稳性产生影响，会引起电机振动加剧而产生噪声。 3 1 - 2 电磁振动的影响原因 引起电动机转矩脉动的因煮主要有以下两方面： ( 1 ) 换向引起的转矩脉动 理想情况下，电机的换向发生在零磁密处，元件中电流的切换不会引起转矩的脉动。但实际上， 一方面因电枢反应使气隙磁密分布发生畸变和绕组短距等原因，撅向不是发生在零磁密处，另一 方面又因电动机的元件数和支路电动势都在波动，此外还由于换向器表面不平，使电刷与换向器 之间的滑动摩擦转矩有所变化，这些因素都会使永磁直流电动机的输出转矩发生脉动。 ( 2 ) 齿槽效应引起的转矩脉动 齿槽的存在，使永磁体与所对着的电枢表面间的气隙磷导不均匀，由此产生磁阻转矩，引起电 动机输出转矩的脉动，形成阻碍电枢灵活旋转的磁阻转矩。磁阻转矩即齿槽定位力矩是永磁电机 的固有现象。永磁电机的磁阻转矩是在电枢绕组不通电的状态下，由永磁体产生的磁场同电枢铁 芯的齿槽作用在圆周方向产生的转矩。这是因为在有槽电枢永磁直流电机中，由于齿槽的存在，使 永磁体与所对着的电枢表面的气隙磁导不均匀，齿下对应的气隙磁导大而槽下对应的气隙磁导小， 另在磁极两端部附近的磁场变化大，磁场能量的变化也较大，所以转子旋转时，磁极前后缘一个齿 或两个齿的- - t j 、段区域内磁场能量变化导致了转矩变化，表现为有沿着菜一特定方向与齿槽对齐 的趋势，即磁极与转子有相对平衡点，转子向正反两个方向偏转一定角度内，转子都将受到回归原 位的力矩。在转动一周范围内，这种平衡点与极对数和齿榴数有关。它是个正负交替波动的周 期力矩。如定位转矩大，则过大的定位转矩使磁场对转子的磁拉力增大，当永磁电机转子转动时， 影嫡电橇的性能，同对僮电辊产生振动丽造成噪声。当转矩频率与定子或转子的机械共振频率一 致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。要提高马达转速平稳性，转矩脉动就要小。 东南大学工程硕士论文 在文献 6 中介绍，齿数为z s ，极数为2 p ，两者的最小公倍数是，齿槽定位力矩t c 的波长用 齿距表示为： 假定电机旋转一周所需时间( 周期) 为m ，则t c 的交变周期为 3 2 磁阻转矩引致的电磁振动噪声的抑制和改善措施 3 。2 1 磁阻转矩的计算 ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 据文献 8 的推导，永磁电机磁能储存在气隙铁芯和永磁体内。当只有永磁体激磁时，引起磁 阻转矩的磁能变化主要在气隙内，可以忽略铁芯永磁体内的磁能变化。阻a 相绕组的轴线位置为 坐标原点建立极坐标系，当转子n 极的轴线位于y 角位置时，气隙磁密的傅立时展开式为： b ( r ，卿= ec o s b p + y ) 】 1 = 1 式中p 为永磁电机极对数。气隙磁场储能为 ( 3 3 ) m ，= 罢瓢苹只c o s b p + ，) 】 2 排舞孝善4 降c 。s 2 b p + ，归 弦t ， 式中r 为气隙平均半径，g 为气隙长度，f 为电枢铁芯辎向长度，m 为槽数，口t 为槽距角，岛为第 t 个槽节距的起始位置，而且只= 岛+ ( f 一1 k 齿 齿 个 个 觌 数 偶 奇 有 有 f f 极 极 鲥 鲥 哦 脚 啮 啮 如一魄一 黧= 纛i ，11 第三章电机电磁振动噪声的控制与改善 根据能量虚位移法，可以推导永磁电机磁阻转矩公式为 m 卜警= 足善谁埘呐】 式中：k = 芝一；x 扛霹s i n ( j p a ，) 2 0 “ ( 3 5 ) 从上式可看出，永磁电机磁阻转矩由2 ，4 ，6 等2 i 次谐波构成，其2 i 次谐波的幅值x ，与气隙磁 密的第i 次谐波分量的幅值b i 有关，由于b 。幅值随谐波次数i 的增高而减小，其对应的电机磁阻转 矩幅值也相应减少。磁阻转矩最低次谐波与6 q ( q 为每极每相槽数) 值有关a 一般取为奇数，这样 相邻n 、s 极下齿糟的磁阻转矩相位差为1 8 0 度，可相互抵消：若为偶数，相邻n 、s 极下齿糟的磁 阻转矩相位相同，反而是使磁阻转矩加倍。 在文献 1 6 中，引用了文献 1 7 中的一个有关磁阻转矩的一般公式： 己p ) = 三d ，n 。捌l 曲s i n ( n n c o ) ( 3 6 ) 。 h 其中：t 。= t 。( 0 ) 为磁阻转矩：0 = 机械角度：肛气隙直径；，为铁芯厚度：n = l ，2 ，3 ，：n 。 为m 与2 p 的最小公倍数：q ，电枢槽数，p 为磁对数：p = p ( e ) 为气隙磁导：m 刊( o ) 为磁铁磁化模 式：k “为槽扭因数： 上述表达式反应出大部分影响磁阻转矩的因素，可以通过对以上各因素的实践去降低磁阻转 矩。 3 2 2 磁阻转矩的抑制和改善措施 对于由电枢齿槽所引起的转矩脉动，主要是降低气隙磁阻不均匀度以减低波动，据文献 6 、