許 軍

（上海實(shí)業(yè)交通電器有限公司，上海 200030）

汽車(chē)用永磁直流電機(jī)零件的降噪設(shè)計(jì)及其分析

許 軍

（上海實(shí)業(yè)交通電器有限公司，上海 200030）

隨著人們對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高，人們對(duì)汽車(chē)內(nèi)部噪聲的要求也不斷地提高。電機(jī)作為汽車(chē)眾多運(yùn)動(dòng)部件（如天窗、電動(dòng)門(mén)玻璃、電動(dòng)座椅等）的執(zhí)行元件，對(duì)降低汽車(chē)內(nèi)部噪聲水平有著直接的影響，為有效降低汽車(chē)內(nèi)部的噪聲水平，文章從與產(chǎn)生電機(jī)噪聲有關(guān)的各個(gè)零件的設(shè)計(jì)入手，詳細(xì)分析產(chǎn)生電機(jī)噪聲的原因并給出降低電機(jī)噪聲的設(shè)計(jì)方法，從而為汽車(chē)用電機(jī)的設(shè)計(jì)工程師和質(zhì)量分析工程師提供切實(shí)有效的指導(dǎo)意義。

噪聲；dB(A)；換向器；軸承；彈簧

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-156-03

引言

隨著綠色環(huán)保理念的不斷深入，以及人們對(duì)追求舒適、健康生活要求的不斷提高，對(duì)汽車(chē)內(nèi)部噪聲的要求也越來(lái)越高，降低汽車(chē)用永磁直流電機(jī)的噪聲能有效降低汽車(chē)內(nèi)部的整體噪聲水平，是提高汽車(chē)質(zhì)量、滿足駕駛員和乘員舒適性要求的有效方法之一。因此，對(duì)汽車(chē)電機(jī)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)之初，切實(shí)重視對(duì)噪聲控制，將非常有利于從根本上降低汽車(chē)用永磁直流電機(jī)的噪聲水平。同時(shí)，質(zhì)量分析工程師，根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原因和機(jī)理，有針對(duì)性地分析噪聲故障車(chē)或故障件，從而更快、更好地找出造成噪聲故障的根據(jù)原因。下面，分別對(duì)影響永磁直流電機(jī)噪聲的零件及其設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明與分析。

1、碳刷

碳刷是直流永磁電機(jī)中直交流轉(zhuǎn)換的零件之一，因換向器的高速轉(zhuǎn)動(dòng)而造成碳刷的高頻率振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲，碳刷設(shè)計(jì)的好不好對(duì)電機(jī)的整體噪聲水平有非常大的影響。

1.1 碳刷的形狀對(duì)噪聲的影響

在碳刷形狀方面，碳刷與換向器端面的形狀對(duì)電機(jī)的噪聲大小影響最大，由于電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，碳刷與換向器相對(duì)滑動(dòng)接觸時(shí)，將產(chǎn)生微小的周期性振動(dòng)，這無(wú)疑將帶來(lái)噪聲。由于換向器的片間存在高度差，并且由于工藝的原因，銅的換向器片邊沿呈鋒利狀態(tài)，這樣，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，就很容易劃動(dòng)碳刷，生產(chǎn)振動(dòng)和噪聲。為了盡量減小由此產(chǎn)生的噪聲，將碳刷的前端面設(shè)計(jì)成半徑稍大于換向器半徑、與換向器同弧向的圓弧面，這將有效降低碳刷的噪聲。

1.2 碳刷與刷盒的間隙大小對(duì)噪聲的影響

在保證電機(jī)在高、低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，碳刷不被卡死的情況下，換向器的切向方向的碳刷與刷盒的間隙越小越有利于噪聲的降低；在換向器的軸向方向，間隙則要視彈簧的形式、碳刷尾部形狀，進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，太小太大，都不利于噪聲的控制。對(duì)碳刷的公差帶，以目前工藝，在非機(jī)壓方向，公差帶可以做到：0.05mm。

1.3 碳刷材料對(duì)噪聲的影響

碳刷的銅碳比、粘結(jié)劑等對(duì)噪聲都有直接的影響，一般來(lái)說(shuō)，銅的比率越低噪聲就會(huì)越低，硬度低的粘結(jié)劑也會(huì)降低噪聲。銅碳比的確定還要考慮成本、電流和電機(jī)壽命的因素。

2、換向器

換向器也是直流永磁電機(jī)中直交流轉(zhuǎn)換的零件之一，是對(duì)永磁直流電機(jī)的噪聲有重要影響的零件之一。

2.1 換向片的材料和硬度對(duì)電機(jī)噪聲的影響

含銀量高的比含銀量低的換向片有利于降低電機(jī)噪聲，硬度低的比硬度高的換向片有利于降低電機(jī)噪聲；但是，因?yàn)榭紤]成本因素，一般情況下不會(huì)輕易采用含銀量過(guò)高的銅材作為換向片。

2.2 換向器片與片之間的徑向高度差對(duì)電機(jī)噪聲的影響

換向器片與片之間的徑向高度高度差越小越有利于降低電機(jī)的噪聲，對(duì)汽車(chē)用永磁直流電機(jī)而言，該高度差值應(yīng)小于0.003mm。

2.3 換向片表面粗糙度對(duì)電機(jī)噪聲的影響

有些技術(shù)人員認(rèn)為，換向片表面的粗糙越高越用于降低的電機(jī)噪聲，其實(shí)不然，實(shí)驗(yàn)證明，將換向片的表面粗糙度控制在Ra0.7~1.0之間最有利于降低電機(jī)的噪聲。

2.4 換向器加工工藝對(duì)電機(jī)噪聲的影響

換向器由銅、銀、電木粉等物理性質(zhì)各異的材料制成，換向器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)與離心作用后，需要保證表面的幾何形狀穩(wěn)定不變。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，碳刷與每個(gè)換向器片發(fā)生的是間斷性接觸，當(dāng)碳刷從一個(gè)換向片切換到另一個(gè)換向片時(shí)，因換向片倒角的圓滑度有限，會(huì)引發(fā)碳刷振動(dòng)，且換向器的表面局部圓度大小不一也會(huì)造成碳刷振動(dòng)的加劇。在換向器的加工過(guò)程中，要根據(jù)圖紙要求，對(duì)于換向片工作面的直徑、長(zhǎng)度等也要進(jìn)行嚴(yán)格控制，盡量縮小尺寸公差和外圓圓度偏差，并對(duì)換向片表面進(jìn)行拋光處理。

3、彈簧

彈簧的作用是壓住碳刷，以保證碳刷與換向器之間有良好的接觸，以減小碳刷與換向器之間的接觸電阻和火花。

3.1 彈簧類(lèi)型對(duì)噪聲的影響

永磁直流電機(jī)用彈簧有：壓簧、扭簧和彈片。在噪聲方面，壓簧好于扭簧，扭簧好于彈片。這主要是因?yàn)椴煌?lèi)型的彈簧，彈力施加到碳刷上之后，碳刷與受力點(diǎn)及受力平衡度不同而生產(chǎn)的差異。

3.2 彈簧初始?jí)毫?duì)噪聲的影響

由于碳刷與換向器是直接接觸，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)必然發(fā)出一定的摩擦聲和振動(dòng)聲，該聲音大小受多種因素影響，如碳刷彈簧的初始?jí)毫?、碳刷和換向器接觸面的大小、換向器的光滑程度等，其中彈簧初始?jí)毫Φ挠绊懽顬槊黠@。如果彈簧的初始?jí)毫m當(dāng)小一些，當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，抑制碳刷徑向振動(dòng)的能力就會(huì)減弱，同時(shí)，碳刷與換向器接觸面的切向摩擦力也會(huì)因彈簧壓力的小而變小，這將有利于減輕碳刷切向和軸向的振動(dòng)，而碳刷切向和軸向的振動(dòng)是生產(chǎn)噪聲的主要方面，徑向則是次要方面，所以，從消除噪聲的角度來(lái)說(shuō)，彈簧的初始?jí)毫Σ荒芴?，以保證彈簧終止能使電機(jī)正常運(yùn)行為宜。當(dāng)然，也不能將彈簧的初始?jí)毫υO(shè)計(jì)得過(guò)小，過(guò)小會(huì)造成碳刷與換向器接觸不良及生產(chǎn)火花類(lèi)噪聲。經(jīng)驗(yàn)顯示，碳刷彈簧的壓力在1.5~2.5N/cm2之間最為合適。

4、軸

是指電機(jī)中的電樞軸。

4.1 軸的強(qiáng)度對(duì)噪聲的影響

在電機(jī)中，軸屬于受力件，所以，軸的強(qiáng)度對(duì)電機(jī)噪聲的影響比較大，如果軸的強(qiáng)度不夠高，在電機(jī)加載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，軸的抖動(dòng)過(guò)大或變形彎曲，將使電機(jī)振動(dòng)加大，從而使電機(jī)的噪聲增大。

4.2 軸上的蝸牙對(duì)電機(jī)噪聲的影響

對(duì)于帶有蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的電機(jī)而言，在電機(jī)的軸上帶有蝸牙，蝸牙的參數(shù)將對(duì)蝸輪蝸桿的嚙合噪聲生產(chǎn)重要影響，蝸輪蝸桿中的側(cè)隙、頂隙、齒面粗糙度等都是影響蝸輪蝸桿嚙合噪聲的重要因素。

4.3 軸的表面粗糙度與圓度對(duì)噪聲的影響

由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以，軸的表面的粗糙度和圓度越高越有利于噪聲的降低。

5、軸承

5.1 軸承的類(lèi)型對(duì)電機(jī)噪聲的影響

目前，應(yīng)用于電機(jī)的軸承種類(lèi)很多，有滾動(dòng)軸承、含油軸承、塑料軸承等，同一種類(lèi)的軸承又有不同系列和形式。軸承對(duì)噪聲的影響不能一概而論，因?yàn)?，同一種類(lèi)的軸承中噪聲也會(huì)有較大的差異。如果從大方面來(lái)說(shuō)，塑料軸承的噪聲會(huì)好于含油軸承，含油軸承的噪聲會(huì)于滾動(dòng)軸承。到底選擇什么類(lèi)型的軸承，要根據(jù)成本、用途、壽命等因素來(lái)確定。

5.2 軸承的精度對(duì)噪聲的影響

軸承的精度越高，噪聲會(huì)越低。對(duì)于含油軸承和塑料軸承而言，由于軸承與軸之間有相對(duì)滑動(dòng)，所以，軸承內(nèi)孔面的粗糙度越高越有利于噪聲控制，軸與軸承內(nèi)孔的間隙越小越有利于降低噪聲。對(duì)于滾動(dòng)軸承而言，軸承裝配之前應(yīng)加以清洗和消磁處理，同時(shí)注入適量并且與型號(hào)匹配的潤(rùn)滑脂，并注意做好防塵工作。軸承與電機(jī)軸裝配時(shí)最好使用加熱法，并且采用過(guò)盈配合，要盡可能地防止劃痕的出現(xiàn)。

5.3 軸承的硬度、剛度和耐磨度對(duì)電機(jī)噪聲的影響

軸承的硬度越低，剛度和耐磨度越高越有利于降低電機(jī)的噪聲。

5.4 軸承內(nèi)徑

軸承內(nèi)徑越大，振動(dòng)越劇烈，噪音也越大，有研究表明，軸承直徑每增加5mm，就會(huì)使噪聲增大1~2dB(A)。但軸承內(nèi)徑的大小受制于軸的直徑大小，在設(shè)計(jì)條件允許的情況下應(yīng)盡量減小軸的直徑。

5.5 滾動(dòng)軸承滾珠與保持架之間的間隙對(duì)噪聲的影響

對(duì)于滾動(dòng)軸承而言，軸承滾珠與保持架之間的間隙大小也是影響噪聲的重要因素，間隙較大時(shí)保持架的振動(dòng)比較明顯，噪聲也比較大，但間隙過(guò)小又會(huì)使?jié)L珠卡死，也會(huì)加劇振動(dòng)和噪聲。所以，一定要根據(jù)電機(jī)用途選擇適當(dāng)型號(hào)的軸承，從而使軸承滾珠與保持架之間的間隙符合電機(jī)用途要求。

5.6 軸向推力大小對(duì)噪聲的影響

對(duì)于使用滾動(dòng)軸承的電機(jī)而言，軸向推力過(guò)大會(huì)加大軸承摩擦力，使軸承溫度上升并引發(fā)機(jī)械損耗。推力過(guò)小則會(huì)造成軸向竄動(dòng)的失控，進(jìn)而引發(fā)噪聲。在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，通常給一側(cè)的軸承室增加一個(gè)波形墊圈，借助波形墊圈彈力與軸向空隙來(lái)調(diào)整推力的大小，從而減少電機(jī)的軸向串動(dòng)噪聲和摩擦噪聲。

5.7 軸與軸承間徑向間隙對(duì)噪聲的影響

對(duì)于含油軸承和塑料軸承而言，軸承的徑向間隙同樣是引發(fā)噪聲的重要因素，徑向間隙過(guò)小或過(guò)大都會(huì)使電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生噪聲。根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)，軸承與軸承室孔的裝配間隙在0.012~0.02mm之間最為合適，此時(shí)不會(huì)引發(fā)無(wú)間隙運(yùn)行的問(wèn)題，可以使噪聲大幅減少。

6、結(jié)束語(yǔ)

以上所列零件是對(duì)電機(jī)機(jī)械噪聲產(chǎn)生重要的零件，其它零件如：機(jī)殼、端蓋、繞線、磁瓦等也會(huì)對(duì)電機(jī)的機(jī)械噪聲產(chǎn)生少許的影響，由于對(duì)電機(jī)的機(jī)械噪聲的影響不那么直接與明顯，所以，本文不進(jìn)行詳細(xì)的論述。

[1] 葉未燈.有關(guān)永磁直流微型電機(jī)的噪聲分析和抑制[J].中國(guó)科技博覽,2015(42).

[2] 陳治宇,黃開(kāi)勝,陳風(fēng)凱,田燕飛,何建源.基于TB6556 FG的降低無(wú)刷直流電機(jī)噪聲的設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2014(2).

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[4] 王鵬.直流電機(jī)噪聲產(chǎn)生原因與設(shè)計(jì)抑制方法[J].中國(guó)科技投資,2013(A29).

[5] 劉檢榮.直流電機(jī)噪聲的產(chǎn)生原因與抑制方法[J].電子世界,2013(16).

Noise reduction Design and analysis of automobile permanent magnet DC motor

Xu Jun
( Shanghai industrial traffic electric appliance Co. Ltd., Shanghai 200030 )

The requirement of noise in vehicle become more and more critical, because perceived quality become more important factor for vehicle buyer. As a typical actuator for most electrical component (sunroof, window regulator, seats, etc.), noise performance of motor is a direct impact for vehicle sound quality. For improving vehicle noise performance, this paper list and analysis the design of each parts relate to running noise in detail, then provide effective solution in part design. The conclusion can be used as guidance for design engineer and quality engineer.

Noise; dB(A); Commutator; Bearing; Spring

U462.1

A

1671-7988(2016)07-156-03

許軍，就職于上海實(shí)業(yè)交通電器有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.049