直流電機噪聲分析及降噪的工藝措施

李 昕

（湘潭電機股份有限公司特電研究所，湖南湘潭 411101）

0 引言

電機作為機械電子產品的驅動件，其振動和噪聲大小反映了產品的性能好壞，電機噪聲也是衡量一個電機生產廠家的產品技術水平、質量水平的重要指標之一。作為電機生產廠家要滿足客戶對電機噪聲小的要求，如何解決電機噪聲問題就自然成為電機制造行業特別關注的問題。

本文主要介紹某大型直流電機在電磁方案設計不改變條件下，根據電機振動、噪聲產生的機理，對直流電機進行測試分析，確定主要振動噪聲源，然后根據對振動噪聲影響較大的主要零部件如電機的刷桿及刷桿座的結構分析、端蓋焊接及加工、風機電機轉子動平衡、電機總裝配、零部件加工等制造工藝采取有效措施，達到減小振動、降低噪聲5～10dB的目的。

1 電機振動噪聲的產生機理

電機振動分為電磁振動和機械振動。其電磁振動主要由電機定、轉子磁場相互作用產生隨時間和空間變化的徑向力，使定子鐵芯和機座隨時間周期性變形而引起振動；機械振動包括由轉子不平衡引起的離心力所產生的機械振動和噪聲，軸承振動噪聲，電刷與換向器滑動接觸振動，受軸承振動激發的端蓋軸向、徑向振動等。另外在電機的通風系統中存在風扇旋轉以及轉子旋轉形成的氣體、渦流噪聲，風扇旋轉使冷卻氣體周期性脈動或氣體撞擊障礙物產生的單頻噪聲，風路中薄壁零件諧振或風路設計不合理，也將產生噪聲。

為保證電機性能減小振動和降低噪音，合理的設計結構、制造工藝方法與零部件制造過程中的加工質量決定電機的振動與噪聲。除設計因素外,工藝水平的提高對電機振動和噪聲的抑制起著重要作用。

2 電機噪聲控制的工藝措施

2.1 刷架結構分析

2.1.1 刷架結構改進前測試情況及分析

我們對直流電機振動測試數據進行了分析，發現各測點在不同工況下在某頻率點或頻率段振動幅值的一些規律。其中刷架端測點振動幅度最大值、次大值產生的頻率與電機換向片數有密切關系。如直流電機在100 r/min工況下，其刷架端的測點振動幅度最大值、次大值的頻率為600 Hz和1200 Hz。600正好為直流電機轉速值100和換向片片數360的乘積除以60所得。并且換向器端振動明顯大于非換向器端，據此我們將減小刷架的振動作為減振降噪工作的重點研究方向之一。

2.1.2 刷桿座及刷桿結構改進、工藝研究情況

根據測試分析結論，我們對刷桿座及刷桿結構進行了工藝性改進和研究，通過有限元計算等方法，對刷桿、刷架的強度進行了核算，設計并制造了用于工藝研究的刷桿座和刷桿。工藝刷桿座和刷桿在原有基礎上增加了強度，增大了刷桿與刷桿座的接觸面積，增大了刷桿安裝孔距，從而使刷桿的安裝更加穩固。將新制工藝刷桿座和刷桿裝配在直流電機上測試，其振動加速度有明顯改善，振動加速度級降低了4 dB左右。

2.1.3 電刷、刷盒結構的工藝研究及測試情況

在工藝刷桿座和刷桿生產過程中，我們同時對電刷、刷握結構進行了工藝研究和測試。我們分別更換了各種不同型號的電刷和刷握進行了振動測試，其中采用的電刷有：D374（不帶橡膠減振墊）和D214（帶橡膠減振墊）；采用的刷握有壓指結構和恒壓彈簧結構。通過交差測試對比，電機的振動加速度沒有明顯差距，據此我們認為電刷和刷握結構對電機的振動加速度影響不大。

2.2 機座、端蓋及電樞支架焊接工藝分析

普通電機的機座、端蓋及電樞支架的焊接均采用普通焊條焊接，為達到降噪的目的，我們采用藥芯焊絲焊接方式。藥芯焊絲焊接可以減少大型結構件的焊接變形，減少其內部應力，減少焊接飛濺，改善焊縫成形，提高結構件外觀質量及焊縫的機械性能等。前期我們對普通鋼材(Q235)的藥芯焊絲焊接工藝進行了研究，通過大量試驗，掌握了藥芯焊絲焊接普通鋼材的各種工藝參數及焊接技術，同時在電機的零件上使用驗證；后期開展了電機機座、端蓋、電樞支架等結構件藥芯焊絲焊接工藝研究，進行了大量的樣件焊接試驗。對不同牌號的材料（如35號鋼、鋼板Q235等）在不同狀態（如鍛件、鑄件、鋼板）、不同厚度采用藥芯焊絲焊接，通過大量試驗和驗證，掌握了電機結構件材料在不同狀態、不同厚度下的藥芯焊絲焊接工藝參數，并編制了焊接工藝守則。經過機加工及試驗驗證，機座、端蓋及電樞支架等的焊接變形得到了有效控制，焊縫成形美觀，保證了機座、端蓋等結構件的強度和穩定性。

2.3 端蓋加工尺寸分散性對整機振動值影響分析研究

為了分析端蓋加工尺寸分散性對整機振動值影響，生產了兩件樣件端蓋，全部采用藥芯焊絲焊接，一方面對藥心焊絲焊接進行了工程應用驗證；另一方面利用樣件端蓋增加了兩次電機裝配，充分開展了裝配工藝研究；第三是開展了加工尺寸分散性對整機振動值影響分析研究，加工中對樣件端蓋止口等關鍵尺寸特意加工至上偏差或下偏差，分別進行了裝配和振動噪聲檢測，檢測結果無明顯差別，表明在圖紙要求尺寸范圍內，端蓋止口等尺寸的分散性對整機振動值影響不大。

通過對直流電機三次解體更換端蓋、軸承座、彈性安裝，相應的三次檢測結果僅相差約2-3 dB，相對已出廠的同型號五套產品相差約13 dB的較大分散性情況表明，本次直流電機裝配工藝研究是成功的。通過裝配工藝研究我們總結了引起振動值分散的具體裝配因素，并形成了一系列工藝文件，確保后續產品裝配質量滿足技術要求。

2.4 阻尼鋼板焊接、加工及應用工藝分析

在減振降噪工藝研究中，新型材料的應用研究也成為一個重要的研究方向。通過調研，我們選擇了一種新型材料——阻尼鋼板作為減振降噪應用研究的對象。通過工藝、設計人員的調研和分析，首先在冷卻系統和刷架中實施了應用性研究。我們制作了工藝研究用的一套冷卻系統，在這套冷卻系統中底板和蝸殼等采用了阻尼鋼板制作，在刷架中增加了阻尼墊片，摸索出了阻尼鋼板焊接、折彎及加工的工藝方法。采用阻尼鋼板生產的一套冷卻系統因考慮到阻尼鋼板的使用壽命和加工工藝不成熟等因素，只做為工藝研究用。

通過對阻尼鋼板的應用研究，雖然沒有大量應用于產品上，但已基本掌握了阻尼鋼板的焊接、加工的工藝方法，為今后阻尼鋼板的應用打下了一定的基礎。

2.5 電樞鐵心、主極、換向極鐵心疊壓工藝分析

沖片質量的好壞將直接影響鐵心疊壓后的質量。該電機在生產中，電樞、主極、換向極沖片均采用進口數控沖床上沖制，沖制后增加去毛毛刺工序，同時為保證運輸及疊壓，每一張扇形沖片均進行編號并按順序疊放于專用工裝中。為保證電樞鐵心疊壓壓力和疊片數量的準確性，沖槽之前，為確保電樞鐵心分段長度的一致性，采取對電樞鐵心進行全預疊的工藝，即對電樞鐵心全鐵心長度進行一次預先疊壓，保證每段鐵心長度的一致性。同時鐵心疊壓時嚴格控制疊壓的壓緊力，并在疊壓后檢測鐵心尺寸及疊壓的松緊程度，保證了電樞鐵心的疊壓質量。

2.6 換向器制造工藝分析

換向器是由銅、鋼、云母等各種物理性質差異懸殊的材料制成的，在長期反復的溫度與離心力作用下，必須保持工作表面的幾何形狀不發生變形，同時電機運行過程中，電刷運行時與換向器表面接觸是間斷性接觸，電刷從換向器接觸點滑入另一換向片的過程中，如果換向器倒角不夠圓滑，則會引起電刷跳動增大，從而引起振動偏大，同時換向器的表面局部圓度大也可能引起電刷跳動過大，為此換向器生產過程中，采用專用工藝措施保證云母片完全收縮和云母膠硬化，使換向器成為一個堅實穩定的整體，再將換向器進行動成型及超速試驗，依據離心力的作用壓緊，使換向器不致在運行時發生突片現象。換向器加工時，嚴格控制換向器工作表面的直徑、長度等尺寸公差及外圓的圓度偏差，對表面換向器溝槽采取工藝措施進行拋光處理。

2.7 電樞鐵心校動平衡工藝分析

該直流電機電樞鐵心重量大，為保證電樞的質量均衡，設計要求單獨對電樞鐵心校平衡，以了保證旋轉件質量的均衡，本電樞鐵心采用動平衡方式平衡整個工件，為此根據電樞鐵心的結構及動平衡機的結構，專門設計并制造了電樞鐵心動平衡用的假軸，為保證電樞鐵心在動平衡試驗過程中的準確性，對假軸也進行了單獨動平衡試驗，電樞鐵心經動平衡試驗，其平衡精度等級滿足設計要求。

2.8 電樞校動平衡

電機轉子的殘余不平衡量對電機振動影響很大，為保證電樞質量的均勻性，要求對電機電樞進行動平衡。

在電機制造過程中我們對轉軸、電樞鐵心、電樞支架、換向器等的制造精度進行控制，嚴格控制轉軸加工過程中內外圓粗糙度和同軸度；嚴格控制沖片制造過程中尺寸精度；嚴格控制鐵心疊壓過程中尺寸精度、鐵心重量、鐵心內外圓的同心度及緊密度；嚴格控制支架焊接時焊縫質量及筋條等分均勻；嚴格控制換向器制造中換向片的對稱性、換向片對軸中心線的平行度；嚴格控制電樞鐵心動平衡的精度，這樣保證各零部件質量均衡一致性，從而保證整個電樞的質量較均衡。

為保證電機轉子的平衡，采取了電機試驗時進行現場動平衡。其原理是：利用振動測量方法，直接測量電機軸承座的振動幅值和相位角，然后經計算處理。在電樞校正平面上進行平衡試驗，以得到電樞失重的質量、大小和位移，然后相應增、減平衡質量，使電樞平衡失重減小，達到平衡的目的。

2.9 風機轉子動平衡量的控制分析

在進行了多次振動測試分析后，直流電機在同等運行工況下在開風機與停風機的不同狀態下，機腳振動值約有(2-3)dB差別，從頻譜圖分析風機軸頻影響較大，風機的振動經機座傳遞至電機機腳，對電機整機振動值影響較大，而要降低基頻振動應在風機轉子動平衡上下功夫。在現有動平衡設備基礎上，我們通過采取風機轉子單獨進行動平衡，風機葉輪單獨平衡，最終轉子與葉輪裝配好后再一起進行動平衡。然后進行通風機組在額定工況時振動測試，轉子經過平衡措施后通風機振動值降低了3 dB，風機轉子動平衡后有效減小了整機振動水平。

2.10 刷架系統裝配及電刷磨合工藝分析

2.1 0.1 刷架系統裝配

為保證電刷在換向器圓周上受力均勻一致，設計了一套立式刷架裝配模（傳統的直流電機刷架裝配模均為臥式），模仿電機實際情況裝配好電刷，調整電刷彈簧壓力，嚴格控制電刷彈簧的壓力一致性，避免了常規刷架裝配裝上電刷后上、下半部彈簧壓力不一致的情況（裝配時調整刷架彈簧壓力，但實際裝上電機后，由于電刷、彈簧的自重影響，會出現實際施加在上、下半部電刷的壓力出現差值），從而減少了因電刷彈簧上、下半部壓力不一致而引起的振動。

2.1 0.2 電刷磨合

電機運行時，由于電刷在換向器圓周表面的運動和間隙運動，電機旋轉一周，電刷就在換向器表面間歇運動N次(N為換向片數)，電刷由換向溝槽進入換向器表面，和從換向器表面滑出進入換向器溝槽，電刷會產生跳動，引起振動，這與換向器表面粗糙度、換向器表面圓柱度、換向器溝槽倒角、電刷接觸面、電刷彈簧壓力等有關。

根據前期減振降噪研究的結果，電機運行時電刷與換向器的接觸產生的噪聲是電機主要噪聲源之一，為此對電刷系統裝配、電刷磨合狀態進行了專項研究。電機裝配完成后先對電刷進行預磨，然后對電刷與換向器表面進行通電運轉磨合，對每個電刷進行接觸面檢查，并對換向片工作區域邊緣毛刺進行研修，保證其光滑圓順，振動檢測前電機進行了長時間帶載磨合電刷，使電刷與換向器接觸面積達85%以上。

2.11 電機裝配工藝分析

2.1 1.1 控制定、轉子鐵心軸向對中精度分析

電機裝配過程中，如果定、轉子鐵心縱軸面不對中，在電機運行時將會產生附加的軸向電磁拉力，將對電機振動產生影響，為減少電機軸向拉力對電機振動的影響，必須嚴格控制定、轉子鐵心的對中精度，盡量減少鐵心不對齊而產生的軸向附加電磁拉力。

在電機裝配時，采用專用工裝通過移動軸承座的方法調整電樞徑向對中，以磁極鐵心為基準，確定電樞鐵心軸向中心在磁極鐵心中心的對應一致的位置上，盡量使兩端電樞鐵心外端面到磁極鐵心端面的距離相等，電樞鐵心中心線與定子磁極鐵心中心線基本重合；根據圖1所示檢測圓周上所標尺寸C、D，使其差值均在1mm以內，保證定、轉子鐵心軸向對中精度。

圖1 定子轉子鐵心軸向對中

2.1 1.2 磁路系統主極、換向極的裝配工藝分析

定子磁路系統由主極、換向極在機座內圓等分分布，用螺栓與機座緊固。為保證裝配后主極、換向極端面平齊在一個圓柱體內，裝配時采用專用測量工具，通過調整主極、換向極位置，使主極、換向極端面平齊度在 1mm以內，調整極間間距均勻度在 1mm以內，為控制其同軸度，先測量主極、換向極對徑尺寸，控制其偏差在0.25mm以內，同時磁路系統在主極、換向極裝配后上立車校同軸度，使電機主極、換向極極間距離和端面裝配的精度及同軸度均控制在要求范圍之內。

2.1 1.3 電機氣隙均勻度的控制工藝分析

定、轉子氣隙均勻度好，將減少由于定、轉子不均勻而產生的徑向磁拉力的影響。在嚴格控制電樞和磁路系統主極鐵心同軸度外，電機裝配后，設計專用氣隙塞規檢查氣隙，根據氣隙檢查情況調整軸承座高度，從而調整電樞在定子內的徑向位置，以保證電機氣隙符合均勻度要求，經檢測的數據都在要求范圍內。

2.1 1.4嚴格規定電機總裝配關鍵位置連接螺栓擰緊力矩，保證螺栓擰緊力及均勻性

為保證電機裝配質量一致性，減少人為因素引起電機裝配后分散性大的現狀，在電機總裝配過程中，編制了螺栓擰緊力矩表，除了對設計圖樣中規定的磁路系統的主極螺栓和換向極螺栓采用力矩扳手擰緊外，同時對關鍵位置如機座拼合面螺栓、端蓋止口螺栓、冷卻系統安裝螺栓、軸承座拼合面連接螺栓、機座地腳面與減振器連接螺栓等也用力矩扳手擰緊，實際操縱時嚴格按螺栓擰緊力矩表執行后，很好的保證了關鍵位置螺栓聯結的擰緊力和擰緊力的一致性和均勻度。

3 結論

通過對直流電機進行工藝分析研究，采取一系列工藝措施后，電機按照現場彈性底座安裝的要求進行彈性安裝試驗，總振級及各頻段振動噪聲檢測結果均優于考核指標，其中總振級比考核指標低了3 dB，完全滿足直流電機使用要求。

通過進一步研究零部件加工及添置高精度機加工設備及振動噪聲檢測專用軟硬件，繼續進行電機振動噪聲檢測研究，掌握和提高振動噪聲檢測分析能力，輔以加強質量監控及回用品控制的措施達到最終控制產品振動噪聲離散性的目的，將會制造質量更優、性能更好的低噪聲的電機。

[1]劉云. 電機修理工手冊. 北京： 機械工業出版社,1999.

[2]孫雪明. 電機負載噪聲測試與質量改進標準.電機技術, 2001(3)： 16-17.