论文部分内容阅读
摘要：无刷直流电机凭借其高效能、高可靠性、高易控性和卓越的质量，已在如医疗器械设备、家用电器、各类机械设备等诸多领域有着广泛的应用，为这类机械设备的研发和更新换代提供了坚实的技术支持。然而，在实际应用过程中，电机噪声则成为了制约无刷直流电机进一步开疆扩土的关键之一。本文将结合其噪音产生原理，给出相应的降噪方案和建议。
关键词：无刷直流电机；机械噪声；降噪方法
1 引言
噪声是当代社会中极具危害性的元素之一，其作为“声污染”的身份也早已被正式纳入四大污染之一。这一系列频率、强度的非纯音构成的噪声已给人们生活和工作带来了巨大危害。而无刷直流电机作为现代社会中应用最广泛的电机种类之一，其噪声危害更值得重视。在汽车机械、家用电器中实用的无刷直流电机产生的噪声直接影响人们的生活，近年来空调等产品收到的投诉中，源于噪声的超过26%。而机械设备、医疗设备中实用的直流电机噪声则可能会在更大范围内带来社会危害。本文将植根于无刷直流电机噪声产生机理及其类别，针对其机械噪声，提供针对性的降噪方法，以期促进无刷直流电机的自我升级并带动相关产品及产业升级。
2 无刷直流电机的噪声原理分析
2.1 无刷直流电机的噪声分类
依据其噪声产生的机理及噪声特性的不同，业界和学界一般将电机噪声分为三类：电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声。[1]
电磁噪声由电子作用力而来，是因其在定自、转子之间通过旋转或脉动里波而促使定子震动，进而产生噪声，所以电磁噪声本质上看属于辐射噪声的一种。这种噪声与电机的电磁波、频率、振幅等相关也与定、转子之间的气隙相关，这些都是来自于设计阶段的问题。空气动力噪声来自于电机上的风扇，一般小型电机都将风扇内置，这时电机开启、风扇运行产生的噪声微不足道，而引起关注的主要是大中型电机，风扇告诉运作后其旋转和渦流噪声则不容忽视，并且由于这一噪声来自于风扇与空气动力之间的作用，难以从源头抑制，一般在后期运作时采取隔音办法。
另一种就是本文所要关注的机械噪声，机械噪声来自于电机内部部件之间的震动与摩擦，比如轴承的震动、受轴承影响后连接处端盖的震动、转子不平衡而产生的震动、电刷震动、转向器震动，以及各部零件之间的摩擦震动等等。[2]可以说机械噪声的产生完全来自于电机本身，与其零件的原料、质量以及机械的装配工艺与细致程度相关。是可以从机械自身来控制的。
2.2 无刷直流电机噪声特点及解析
针对上文对无刷直流电机机械噪声的定义与概述，接下来将详述其噪声产生机理。
一般来说，目前认为无刷直流电机的机械噪声并非其主要问题，因为和有刷直流电机相比，无刷直流电机避免了两种重要的摩擦噪声：电刷摩擦及转换器摩擦。[3]不过，在特定情况下，机械噪声将会变得较大，因而也成为无刷直流电机亟待解决的问题。这种噪声产生的机理在于无刷直流电机通过交流电的整流进行供电，波纹大；并且与通常情况下噪音不明显的稳定的正弦波相比，电势与电流的波频、波幅差异较大，进而造成震动，产生噪声。
3 无刷直流电机降噪方法分析
3.1 无刷直流电机的三种降噪方法
通过上文的分析，再结合业界的实践经验和学界的研究成果。一般来说我们有三种方法来解决和降低无刷直流电机的噪声。
第一种是采用合理极槽配合，其原理是降低低次数的径向力波，降低定子侧分数谐波的丰富性，进而达到降低噪声的效果。第二种是削弱永磁谐波磁场。第三种是采用不同的永磁材料，根据上文分析，寻找剩余磁小的材料，比如铁氧体的剩余磁就比钕铁硼来的小。[4]
为了研究三种降噪方式，我们通过实验，选取四台机器进行变量研究，将研究所观测数据记录在下表：
在这项实验中，我们通过机器1与机器2对比，来分析合理的极槽配合对降低噪声的影响；通过机器2与机器3对比，研究削弱永磁谐波磁场的意义；对比机器3与机器4，来观测不同永磁材料的影响。
3.2 无刷直流电机降噪方法的表现
那么，究竟哪种降噪方法对无刷直流电机才是最有效的呢？不同情况下有不同的选择，因而本文也将对以上三种降噪方法对电机性能的影响进行分析。[5]通过表1可以看出，极数为8槽数为9的机器噪声较大，因而不在此继续讨论，主要看机器2、3、4的表现。
从机械特性、效率和成本三个角度来对机器2、3、4进行综合考量分析，机器2和机器3的最大力矩能达到10nm，但样机4仅有8.5左右，这与其使用铁氧体永磁材料而造成的气隙密度低和绕线匝数多是分不开的。与此相关，样机4的效率也整体偏下，而样机3则因绕线匝数少、电阻小、消耗低，达到了高效。不过相反，因为钕铁硼比铁氧体的永磁材料价格昂贵，导致了机器3的总体成本比机器4高了将近60%，不过也可以结合其高效能特性，使用钕铁硼永磁材料的机器在后期使用中要比机器4更节约能源，一定程度上可以弥补这部分的消耗。
因而在实际过程中考虑降低无刷直流电机的机械噪声时，如若预算充分，可考虑从根本上对电机进行升级换代，采用更好的材料、更细致的安装和更精致的零件，从根本上来杜绝和限制源头上的机械噪声。同样，也可考虑应用本文的方法，进行降噪。实验中机器3的配置是最为推荐的，因为它在保证长期成本的情况下，达到了机械特性、高效能均满足的同时，最有效的降低了电机噪声。
4 结语
本文通过文献研读和实验分析的方法，明确了无刷直流电机的噪声特点，并细究其产生原理，接着针对机械噪声的问题进行细致分析，针对性的提供了三种常用的降噪方法，并从实际运用的角度出发，给出了该类电机机械噪声降噪的建议与方案。
参考文献
[1]基于TB6539的低噪声无刷直流电机驱动系统[J]. 王宝超，原庆兵，李建军，邹继斌. 微电机. 2010（12）. 页55.
[2]基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计[J]. 曾丽，吴浩烈，肖莹. 微电机. 2010（10） . 页23.
[3]无刷直流电动机噪声分析及其抑制[J]. 李建军，邹继斌，徐永向. 微特电机. 2009（03） . 页145.
[4]削角磁极抑制永磁电动机齿槽转矩的研究[J]. 辛懋，韩力. 微特电机. 2008（09） . 页43.
[5]小型无刷直流电动机振动与噪声的研究[J]. 陈磊，高宏伟，柴凤，程树康. 中国电机工程学报. 2006（24） . 页67.
关键词：无刷直流电机；机械噪声；降噪方法
1 引言
噪声是当代社会中极具危害性的元素之一，其作为“声污染”的身份也早已被正式纳入四大污染之一。这一系列频率、强度的非纯音构成的噪声已给人们生活和工作带来了巨大危害。而无刷直流电机作为现代社会中应用最广泛的电机种类之一，其噪声危害更值得重视。在汽车机械、家用电器中实用的无刷直流电机产生的噪声直接影响人们的生活，近年来空调等产品收到的投诉中，源于噪声的超过26%。而机械设备、医疗设备中实用的直流电机噪声则可能会在更大范围内带来社会危害。本文将植根于无刷直流电机噪声产生机理及其类别，针对其机械噪声，提供针对性的降噪方法，以期促进无刷直流电机的自我升级并带动相关产品及产业升级。
2 无刷直流电机的噪声原理分析
2.1 无刷直流电机的噪声分类
依据其噪声产生的机理及噪声特性的不同，业界和学界一般将电机噪声分为三类：电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声。[1]
电磁噪声由电子作用力而来，是因其在定自、转子之间通过旋转或脉动里波而促使定子震动，进而产生噪声，所以电磁噪声本质上看属于辐射噪声的一种。这种噪声与电机的电磁波、频率、振幅等相关也与定、转子之间的气隙相关，这些都是来自于设计阶段的问题。空气动力噪声来自于电机上的风扇，一般小型电机都将风扇内置，这时电机开启、风扇运行产生的噪声微不足道，而引起关注的主要是大中型电机，风扇告诉运作后其旋转和渦流噪声则不容忽视，并且由于这一噪声来自于风扇与空气动力之间的作用，难以从源头抑制，一般在后期运作时采取隔音办法。
另一种就是本文所要关注的机械噪声，机械噪声来自于电机内部部件之间的震动与摩擦，比如轴承的震动、受轴承影响后连接处端盖的震动、转子不平衡而产生的震动、电刷震动、转向器震动，以及各部零件之间的摩擦震动等等。[2]可以说机械噪声的产生完全来自于电机本身，与其零件的原料、质量以及机械的装配工艺与细致程度相关。是可以从机械自身来控制的。
2.2 无刷直流电机噪声特点及解析
针对上文对无刷直流电机机械噪声的定义与概述，接下来将详述其噪声产生机理。
一般来说，目前认为无刷直流电机的机械噪声并非其主要问题，因为和有刷直流电机相比，无刷直流电机避免了两种重要的摩擦噪声：电刷摩擦及转换器摩擦。[3]不过，在特定情况下，机械噪声将会变得较大，因而也成为无刷直流电机亟待解决的问题。这种噪声产生的机理在于无刷直流电机通过交流电的整流进行供电，波纹大；并且与通常情况下噪音不明显的稳定的正弦波相比，电势与电流的波频、波幅差异较大，进而造成震动，产生噪声。
3 无刷直流电机降噪方法分析
3.1 无刷直流电机的三种降噪方法
通过上文的分析，再结合业界的实践经验和学界的研究成果。一般来说我们有三种方法来解决和降低无刷直流电机的噪声。
第一种是采用合理极槽配合，其原理是降低低次数的径向力波，降低定子侧分数谐波的丰富性，进而达到降低噪声的效果。第二种是削弱永磁谐波磁场。第三种是采用不同的永磁材料，根据上文分析，寻找剩余磁小的材料，比如铁氧体的剩余磁就比钕铁硼来的小。[4]
为了研究三种降噪方式，我们通过实验，选取四台机器进行变量研究，将研究所观测数据记录在下表：
在这项实验中，我们通过机器1与机器2对比，来分析合理的极槽配合对降低噪声的影响；通过机器2与机器3对比，研究削弱永磁谐波磁场的意义；对比机器3与机器4，来观测不同永磁材料的影响。
3.2 无刷直流电机降噪方法的表现
那么，究竟哪种降噪方法对无刷直流电机才是最有效的呢？不同情况下有不同的选择，因而本文也将对以上三种降噪方法对电机性能的影响进行分析。[5]通过表1可以看出，极数为8槽数为9的机器噪声较大，因而不在此继续讨论，主要看机器2、3、4的表现。
从机械特性、效率和成本三个角度来对机器2、3、4进行综合考量分析，机器2和机器3的最大力矩能达到10nm，但样机4仅有8.5左右，这与其使用铁氧体永磁材料而造成的气隙密度低和绕线匝数多是分不开的。与此相关，样机4的效率也整体偏下，而样机3则因绕线匝数少、电阻小、消耗低，达到了高效。不过相反，因为钕铁硼比铁氧体的永磁材料价格昂贵，导致了机器3的总体成本比机器4高了将近60%，不过也可以结合其高效能特性，使用钕铁硼永磁材料的机器在后期使用中要比机器4更节约能源，一定程度上可以弥补这部分的消耗。
因而在实际过程中考虑降低无刷直流电机的机械噪声时，如若预算充分，可考虑从根本上对电机进行升级换代，采用更好的材料、更细致的安装和更精致的零件，从根本上来杜绝和限制源头上的机械噪声。同样，也可考虑应用本文的方法，进行降噪。实验中机器3的配置是最为推荐的，因为它在保证长期成本的情况下，达到了机械特性、高效能均满足的同时，最有效的降低了电机噪声。
4 结语
本文通过文献研读和实验分析的方法，明确了无刷直流电机的噪声特点，并细究其产生原理，接着针对机械噪声的问题进行细致分析，针对性的提供了三种常用的降噪方法，并从实际运用的角度出发，给出了该类电机机械噪声降噪的建议与方案。
参考文献
[1]基于TB6539的低噪声无刷直流电机驱动系统[J]. 王宝超，原庆兵，李建军，邹继斌. 微电机. 2010（12）. 页55.
[2]基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计[J]. 曾丽，吴浩烈，肖莹. 微电机. 2010（10） . 页23.
[3]无刷直流电动机噪声分析及其抑制[J]. 李建军，邹继斌，徐永向. 微特电机. 2009（03） . 页145.
[4]削角磁极抑制永磁电动机齿槽转矩的研究[J]. 辛懋，韩力. 微特电机. 2008（09） . 页43.
[5]小型无刷直流电动机振动与噪声的研究[J]. 陈磊，高宏伟，柴凤，程树康. 中国电机工程学报. 2006（24） . 页67.