有刷直流电机旋转工作噪声的分析

有刷直流电机旋转工作噪声的分析

罗静

贵州航天林泉电机有限公司  贵州  贵阳  550081

摘要：现如今，随着我国锂离子电池技术在应用方面的普及性特点，市场对于电机的需求也出现较为明显的增长趋势，在行业竞争日益激烈的背景下，电机的成本控制尤为重要。基于有刷直流电机成本低，控制简单的特点，有刷直流电机至今仍占有一定的市场份额。基于此，本文在分析有刷直流电机结构的背景下，探讨有刷直流电机旋转工作噪声的相关模型，在模型建立期间就可以有效优化固有频率，从而逐渐减弱共振所带来的相应影响，改善出现的噪声情况。

关键词：有刷直流电机；电机旋转；工作噪声

引言

在我国电机行业竞争逐渐激烈的背景下，对于成本的相关要求也具有一定的改变，其中涉及的有刷直流电机具有明显优势。有刷直流电机的定子依据永磁体建立一定的气隙磁场，电枢依据嵌入电枢铁芯槽内的电枢绕组，在定子磁场感应电势和通过电流，将电能转换成机械能，旋转输出一定的转速和转矩。但有刷电机在提供动力期间，也会带来一定的振动情况，从而出现相应的噪音。对于各使用电机的行业来说，控制噪声、振动和声振平顺性（NVH）方面均具有较为严格的要求，这就对有刷电机提出较大的挑战，因此，本文对有刷直流电机旋转工作噪声的研究进行分析，旨在为电机可靠性奠定基础[A1][1]。

一、有刷直流电机工作结构

有刷直流电机属于一种直流电机的类型，其定子上安装永磁磁钢，而在转子上有嵌入转子槽内的电枢绕组以及换向器。有刷直流电机在结构方面具有结构简单、运行效率高、调速性能好的优点，在系统中属于控制系统的主要结构。有刷直流电机在工作期间其原理主要表现为：电源或电池组电流通过电刷、换向器进入转子线圈，载流线圈在定子磁场中感应电势，将电能转换成机械能，旋转输出一定的转速和转矩，从而产生电枢电流。但是由于电刷和换向器为动滑动接触，电机运行时二者会产生动滑动摩擦噪声，且电刷与换向器的换向火花也容易出现相应的电磁干扰现象，为改善有刷直流电机旋转工作噪声，就需要建立有限元模型，不断改进设计的固有频率，旨在可以在结构设计阶段改善噪声情况。一般而言，传统有刷直流电机主要是由前端盖、后端盖组件（含电刷）、定子（含永磁体）、转子（含换向器）四部分所构成，对于这些零组件而言，前端盖、定子及后端盖组件是固定不动的，旋转的部分为转子。随着我国高功率电子、单片机等新兴科学技术的飞速发展，有刷直流电机的控制获得极大的改善，其中涉及的各种比例微积分（Proportion Integration Differentiation,PID）方法也得到较为广泛的运用，其中主要包括了基于遗传算法的PID，以及基于积分算法的PID，但受限于各自的技术局限性，PID方法并不能完成对高性能应用的精确控制，所以，有刷直流电机控制算法将成为众多学者的焦点[A2]。

二、有刷直流电机的噪声机理分析

一般而言，有刷直流电机在实际运用期间所产生的噪声源主要有两个方面，其一是电刷摩擦振动噪声，而其二则是电磁振动所产生的相关噪声，这两种原因产生的噪声均会产生一定的影响。其中电刷摩擦振动噪声的产生也是最为常见的噪声源，主要是由于换向器跟电刷之间出现直接接触的情况，导致转子在旋转过程中换向器与电刷摩擦接触，从而产生相应的噪声，而电刷材料的配方对于噪声的产生环节中具有较为重要的作用，因此，当前多数电机公司都已经不断加强对电刷材料的配方进行研究[2]。[A3][A4][A5]同时，在有刷直流电机旋转工作噪声机理分析期间，径向电磁力波会逐渐接近转子所产生的固有频率，主要是由于电磁噪声的产生属于电机噪声的重要组成部分，在固有频率形成期间也会引起相应的共振情况，这种共振的发生会产生较大的噪声，噪声测试结果如图1所示。通过对图1分析可以发现，在1000Hz附近所产生的噪声具有较为明显的特点，在此期间通过更换不同型号的电刷，可以发现出现一种现象：电机在该频率下会持续产生相应的噪声[A6][A7]。一般而言，固有频率可以借助数值计算有限元的方式计算，又或者利用有限元模态分析法来实现，在将方程解耦的基础上，能够建立一种由模态坐标系和模态参数描述的独立结构，例如振型矩阵，每列都是同一阶的振型，而在对其具体分析则为各阶振型。

图1 振动噪声测试结果

三、转子轴系及有限元模型

对于转子轴系的建立而言，可以为有刷直流电机旋转工作噪声的解决起到帮助作用，其中主要使用的方法就是有限元法。有限元模型的建立就可以将连续的几何体进行划分，具体可以通过划分的方式将其分为离散单元，并在各离散单元划分期间，赋予单元相应的材料属性，涉及的材料属性包括弹性模量、泊松比与密度等相关特性，并在对其进行分析之后，就可以采用数值计算方法的方式进行计算，主要是计算所需的结果[3]。同时，有刷电机的转子系统在实际设计期间，具体包括[A8]轴承、换向器、电枢片叠组、轴等结构设计，其中对涉及的相关绕组部分而言，可以使用等效实体的方式将其代替。主要材料特性如表1所示，通过对表1内容分析之后可以发现，在进行几何体网格划分期间，能够得到相应的网格模型，并以此为基础根据电机的实际工况进行分析，旨在可以对轴承面施加固定约束边界的相关条件。

表1 材料属性

四、模态分析结果及噪声改善

在对模态分析期间，有刷直流电机旋转工作噪声的模态分析结果中显示出可以得到一阶弯曲的固有频率，所涉及的一阶弯曲模态在固有频率方面所表现的具体情况主要是985Hz，该结果在分析期间可以与图1中测得的峰值实现有效的重合，并在重合分析之后可以进行再次演示，主要是演示一次共振期间产生这种噪音的相关原因。在对噪声改善方面的研究中可以发现，考虑到优化方案所产生的成本，以及优化方案在实际实施期间所具有的简单性特点，就可以通过增大主轴直径的方式，提高一阶弯曲模态所产生的固有频率。在掌握相关频率基础上，可以尝试将轴径进行增加，主要可以将其增加大概5mm，并准确计算相应的固有频率内容，这样就可以得到一阶弯曲模态的固有频率，其固有频率的主要频率为1100Hz。在进行相关分析之后可以进行样品试验，在试验验证之后就可以[A9]改善存在的噪声问题，图2是振动测试的结果分析。

图2 振动测试结果对比

结束语

为了可以[A10]改善有刷直流电机旋转工作噪声的产生，本文主要采用有限元法的方式进行相关的试验，在进行试验期间就可以进行优化分析，旨在可以解决电机的振动以及产生的噪声问题。对于需要长时间使用的有刷直流电机而言，由于工作环境可能存在一定的恶劣性特点，就可以选用无刷直流电机的方式进行分析，从而有效发挥其带来的相应优势，发挥最大的作用。但是由于本次研究具有一定的局限性，主要是由于有刷直流电机在低速区域内所产生的干扰较大，因此，在进行下一步分析期间，主要针对低速区所产生的干扰问题进行改善，具体可以通过改进MPC控制器的方式实现。

参考文献

[1]陈辰,钱华,李志鹏,等.真空环境用有刷直流电机三维瞬态温度场的计算与分析[J].微特电机,2021,49(6):43-49.

[2]吉波,罗坤明,李春来,等.低噪音微型永磁直流电动机的研究[J].光源与照明,2022,83(9):81-83.

[3]何高辉,胡琴,杜茗茗,等.自然覆冰导线直流电晕损失及其可听噪声特性实验研究[J].中国电机工程学报,2022,42(12):8-43.

[A1]我改了一下，不知道合适不

[A2]不懂这句话的意思，请更改。

[A3]转子旋转时会与什么接触，据我所知，不可能与什么接触啊，如果接触了，那转子都扫膛了，这在电机运转过程中是不允许的，请查阅相关文献并进行更改。

[A4]这句话不符合逻辑，请确认后更改。

[A5]这段完全读不懂，不符合逻辑也部通顺，请更改。

[A6]读不通

[A7]到底是转子共振还是定子共振，前面在说定子，这里又在说转子，请确认并更改。据我所知一般是旋转的转子固有频率才与共振有关吧，定子都不动，能共振吗？请查阅文献并更改。

[A8]我改了一下，你看下合理不？

[A9]是解决还是改善

[A10]是避免还是改善？