汽車用永磁直流電機零件的降噪設(shè)計及其分析

許 軍

（上海實業(yè)交通電器有限公司，上海 200030）

汽車用永磁直流電機零件的降噪設(shè)計及其分析

許 軍

（上海實業(yè)交通電器有限公司，上海 200030）

隨著人們對生活質(zhì)量要求的不斷提高，人們對汽車內(nèi)部噪聲的要求也不斷地提高。電機作為汽車眾多運動部件（如天窗、電動門玻璃、電動座椅等）的執(zhí)行元件，對降低汽車內(nèi)部噪聲水平有著直接的影響，為有效降低汽車內(nèi)部的噪聲水平，文章從與產(chǎn)生電機噪聲有關(guān)的各個零件的設(shè)計入手，詳細(xì)分析產(chǎn)生電機噪聲的原因并給出降低電機噪聲的設(shè)計方法，從而為汽車用電機的設(shè)計工程師和質(zhì)量分析工程師提供切實有效的指導(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，以及人們對追求舒適、健康生活要求的不斷提高，對汽車內(nèi)部噪聲的要求也越來越高，降低汽車用永磁直流電機的噪聲能有效降低汽車內(nèi)部的整體噪聲水平，是提高汽車質(zhì)量、滿足駕駛員和乘員舒適性要求的有效方法之一。因此，對汽車電機設(shè)計人員來說，在設(shè)計之初，切實重視對噪聲控制，將非常有利于從根本上降低汽車用永磁直流電機的噪聲水平。同時，質(zhì)量分析工程師，根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原因和機理，有針對性地分析噪聲故障車或故障件，從而更快、更好地找出造成噪聲故障的根據(jù)原因。下面，分別對影響永磁直流電機噪聲的零件及其設(shè)計進(jìn)行說明與分析。

1、碳刷

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

1.1 碳刷的形狀對噪聲的影響

在碳刷形狀方面，碳刷與換向器端面的形狀對電機的噪聲大小影響最大，由于電機高速旋轉(zhuǎn)，碳刷與換向器相對滑動接觸時，將產(chǎn)生微小的周期性振動，這無疑將帶來噪聲。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，在電機運轉(zhuǎn)過程中，就很容易劃動碳刷，生產(chǎn)振動和噪聲。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噪聲的影響

在保證電機在高、低溫環(huán)境下運行時，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，太小太大，都不利于噪聲的控制。對碳刷的公差帶，以目前工藝，在非機壓方向，公差帶可以做到：0.05mm。

1.3 碳刷材料對噪聲的影響

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

2、換向器

換向器也是直流永磁電機中直交流轉(zhuǎn)換的零件之一，是對永磁直流電機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電機噪聲的影響

含銀量高的比含銀量低的換向片有利于降低電機噪聲，硬度低的比硬度高的換向片有利于降低電機噪聲；但是，因為考慮成本因素，一般情況下不會輕易采用含銀量過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電機噪聲的影響

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的噪聲，對汽車用永磁直流電機而言，該高度差值應(yīng)小于0.003mm。

2.3 換向片表面粗糙度對電機噪聲的影響

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噪聲，其實不然，實驗證明，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的噪聲。

2.4 換向器加工工藝對電機噪聲的影響

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)過長時間的高溫環(huán)境下運轉(zhuǎn)與離心作用后，需要保證表面的幾何形狀穩(wěn)定不變。在電機運轉(zhuǎn)過程中，碳刷與每個換向器片發(fā)生的是間斷性接觸，當(dāng)碳刷從一個換向片切換到另一個換向片時，因換向片倒角的圓滑度有限，會引發(fā)碳刷振動，且換向器的表面局部圓度大小不一也會造成碳刷振動的加劇。在換向器的加工過程中，要根據(jù)圖紙要求，對于換向片工作面的直徑、長度等也要進(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 彈簧類型對噪聲的影響

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

3.2 彈簧初始壓力對噪聲的影響

由于碳刷與換向器是直接接觸，在電機運行時必然發(fā)出一定的摩擦聲和振動聲，該聲音大小受多種因素影響，如碳刷彈簧的初始壓力、碳刷和換向器接觸面的大小、換向器的光滑程度等，其中彈簧初始壓力的影響最為明顯。如果彈簧的初始壓力適當(dāng)小一些，當(dāng)電機運轉(zhuǎn)時，抑制碳刷徑向振動的能力就會減弱，同時，碳刷與換向器接觸面的切向摩擦力也會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，而碳刷切向和軸向的振動是生產(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說，彈簧的初始壓力不能太高，以保證彈簧終止能使電機正常運行為宜。當(dāng)然，也不能將彈簧的初始壓力設(shè)計得過小，過小會造成碳刷與換向器接觸不良及生產(chǎn)火花類噪聲。經(jīng)驗顯示，碳刷彈簧的壓力在1.5~2.5N/cm2之間最為合適。

4、軸

是指電機中的電樞軸。

4.1 軸的強度對噪聲的影響

在電機中，軸屬于受力件，所以，軸的強度對電機噪聲的影響比較大，如果軸的強度不夠高，在電機加載運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，軸的抖動過大或變形彎曲，將使電機振動加大，從而使電機的噪聲增大。

4.2 軸上的蝸牙對電機噪聲的影響

對于帶有蝸輪蝸桿減速機構(gòu)的電機而言，在電機的軸上帶有蝸牙，蝸牙的參數(shù)將對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噪聲的影響

由于電機轉(zhuǎn)子的高速運轉(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 軸承的類型對電機噪聲的影響

目前，應(yīng)用于電機的軸承種類很多，有滾動軸承、含油軸承、塑料軸承等，同一種類的軸承又有不同系列和形式。軸承對噪聲的影響不能一概而論，因為，同一種類的軸承中噪聲也會有較大的差異。如果從大方面來說，塑料軸承的噪聲會好于含油軸承，含油軸承的噪聲會于滾動軸承。到底選擇什么類型的軸承，要根據(jù)成本、用途、壽命等因素來確定。

5.2 軸承的精度對噪聲的影響

軸承的精度越高，噪聲會越低。對于含油軸承和塑料軸承而言，由于軸承與軸之間有相對滑動，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。對于滾動軸承而言，軸承裝配之前應(yīng)加以清洗和消磁處理，同時注入適量并且與型號匹配的潤滑脂，并注意做好防塵工作。軸承與電機軸裝配時最好使用加熱法，并且采用過盈配合，要盡可能地防止劃痕的出現(xiàn)。

5.3 軸承的硬度、剛度和耐磨度對電機噪聲的影響

軸承的硬度越低，剛度和耐磨度越高越有利于降低電機的噪聲。

5.4 軸承內(nèi)徑

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

5.5 滾動軸承滾珠與保持架之間的間隙對噪聲的影響

對于滾動軸承而言，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，間隙較大時保持架的振動比較明顯，噪聲也比較大，但間隙過小又會使?jié)L珠卡死，也會加劇振動和噪聲。所以，一定要根據(jù)電機用途選擇適當(dāng)型號的軸承，從而使軸承滾珠與保持架之間的間隙符合電機用途要求。

5.6 軸向推力大小對噪聲的影響

對于使用滾動軸承的電機而言，軸向推力過大會加大軸承摩擦力，使軸承溫度上升并引發(fā)機械損耗。推力過小則會造成軸向竄動的失控，進(jìn)而引發(fā)噪聲。在電機設(shè)計時，通常給一側(cè)的軸承室增加一個波形墊圈，借助波形墊圈彈力與軸向空隙來調(diào)整推力的大小，從而減少電機的軸向串動噪聲和摩擦噪聲。

5.7 軸與軸承間徑向間隙對噪聲的影響

對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，徑向間隙過小或過大都會使電機在運轉(zhuǎn)產(chǎn)生噪聲。根據(jù)反復(fù)試驗，軸承與軸承室孔的裝配間隙在0.012~0.02mm之間最為合適，此時不會引發(fā)無間隙運行的問題，可以使噪聲大幅減少。

6、結(jié)束語

以上所列零件是對電機機械噪聲產(chǎn)生重要的零件，其它零件如：機殼、端蓋、繞線、磁瓦等也會對電機的機械噪聲產(chǎn)生少許的影響，由于對電機的機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。

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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，就職于上海實業(yè)交通電器有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.049