地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)裝車(chē)噪聲性能測(cè)試及分析

魏超 邵正武

摘要：噪聲指標(biāo)是軌道車(chē)輛和汽車(chē)等交通工具舒適性指標(biāo)中非常重要的一項(xiàng)，隨著人們對(duì)交通工具舒適性的持續(xù)關(guān)注和要求的不斷提高，噪聲問(wèn)題也越來(lái)越受到重視。噪聲會(huì)影響人們正常的交談、休息，降低人的思維能力，使人疲勞，引起乘客反感甚至投訴。牽引電機(jī)是車(chē)輛的動(dòng)力設(shè)備，其工作噪聲也是車(chē)輛噪聲的主要來(lái)源，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究和嚴(yán)格控制。本文基于地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)裝車(chē)噪聲性能測(cè)試及分析展開(kāi)論述。

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)輛;牽引電機(jī);裝車(chē)噪聲性能測(cè)試及分析

現(xiàn)階段牽引電機(jī)噪聲抑制技術(shù)主要集中在兩個(gè)方面。一個(gè)是通過(guò)電動(dòng)機(jī)電磁側(cè)面和結(jié)構(gòu)側(cè)面抑制噪音。通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制策略被抑制。電子從電動(dòng)機(jī)主體的角度來(lái)看，電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、復(fù)雜建模、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成本高、相應(yīng)的工程優(yōu)化方法和原理尚不清楚;后者是從牽引電機(jī)控制的角度優(yōu)化電流諧波的含量和分布。

一、電磁噪聲

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁力作用在定、轉(zhuǎn)子間的氣隙中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波或脈動(dòng)力波，使定子發(fā)生振動(dòng)而輻射噪聲，該輻射噪聲為電磁噪聲。作用在定子上的電磁力可分離出徑向分量和切向分量，切向分量使定子鐵芯齒部局部振動(dòng)，徑向分量使定子鐵芯產(chǎn)生徑向振動(dòng)，徑向振動(dòng)是引起電機(jī)電磁噪聲的主要原因。永磁牽引電機(jī)的徑向電磁力波計(jì)算如下：pn（θ，t）=b2（θ，t）/2μ0式中：pn（θ，t）為徑向電磁力波;b（θ，t）為氣隙磁密;μ0為真空磁導(dǎo)率，取值4π×10-7H/m。電機(jī)在工作過(guò)程中產(chǎn)生交變的徑向電磁力波，定子鐵芯受到該電磁力波的作用產(chǎn)生電磁振動(dòng)，最終輻射到空氣中，形成電磁噪聲。電磁噪聲具有明顯的階次特性，對(duì)于徑向電磁力波為主的電磁噪聲，其頻率為基頻2f0（f0為電源頻率）和與基頻對(duì)應(yīng)的各次高階頻率?？梢岳秒姶旁肼暤脑撎匦?，分析噪聲頻譜中是否存在電磁噪聲峰值頻率，從而分析電磁噪聲對(duì)總噪聲的影響。

二、測(cè)試方案

車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，車(chē)底噪聲主要包括輪軌、牽引電機(jī)、齒輪箱等引起的機(jī)械噪聲、電磁噪聲、氣動(dòng)噪聲以及車(chē)底和車(chē)體表面氣流激發(fā)的氣動(dòng)噪聲等，噪聲來(lái)源較多，成分復(fù)雜。為了解某款牽引電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的噪聲性能，采用B&K42通道振動(dòng)噪聲測(cè)試分析系統(tǒng)，在車(chē)底靠近牽引電機(jī)位置處及車(chē)廂內(nèi)距地板1.5m處布置傳聲器捕捉噪聲信號(hào)，同時(shí)在牽引電機(jī)本體布置振動(dòng)加速度傳感器捕捉振動(dòng)信號(hào)。

三、階次分析

前面分析表明地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)振動(dòng)噪聲頻譜特征與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)倍頻關(guān)系，一方面牽引電機(jī)在運(yùn)行中由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁力線而產(chǎn)生電磁振動(dòng)噪聲，另一方面牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由于無(wú)法完全消除動(dòng)不平衡、軸不對(duì)中等影響而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)噪聲。為進(jìn)一步了解牽引電機(jī)振動(dòng)噪聲與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，選擇車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)的一個(gè)路段工況（有坡道）進(jìn)行分析，提取牽引電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速變化曲線，利用階次分析11對(duì)車(chē)底和車(chē)廂噪聲進(jìn)行研究。提取1、2低階次和噪聲相對(duì)較明顯的14、15階次數(shù)據(jù)并與噪聲總量級(jí)進(jìn)行對(duì)比。可以看出無(wú)論是車(chē)底還是車(chē)廂噪聲，牽引電機(jī)低階的噪聲量級(jí)小于高階次，且均顯著小于噪聲總量級(jí)（10dB（A）以上），考慮到測(cè)試噪聲數(shù)據(jù)不完全是牽引電機(jī)產(chǎn)生的，也包括其他噪聲源數(shù)據(jù)，因此，階次分析再次定性證明了牽引電機(jī)噪聲對(duì)該車(chē)底和車(chē)廂內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)有限，不是主要噪聲源的結(jié)論。

四、車(chē)輛牽引電機(jī)降噪措施研究

（一）降低電磁噪聲的方法

本研究認(rèn)為降低電磁噪聲的主要途徑有以下三個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)方面，在保證電機(jī)性能的前提下，對(duì)電機(jī)的風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化：采用葉片不均勻分布，避免風(fēng)扇產(chǎn)生噪聲頻率的疊加，從而降低噪聲;減小風(fēng)扇扇葉外徑，可以有效的降低噪聲。從結(jié)構(gòu)上不能將整周均進(jìn)行拓展，但至少可以將出風(fēng)角的部分?jǐn)U大，進(jìn)而達(dá)到減少排風(fēng)阻力的目的。同時(shí)因狹窄處是噪音的發(fā)生源，因此堵上不能拓寬的橫向排氣孔。（2）生產(chǎn)制造、質(zhì)量控制方面，采用專用帶計(jì)數(shù)設(shè)備進(jìn)行保證線圈匝數(shù)準(zhǔn)確性。用專用漲型設(shè)備來(lái)保證線圈幾何尺寸一致性。三相繞組的直流電阻測(cè)量判斷三相繞組值、電流是否平衡對(duì)稱等。電機(jī)定子鐵芯、端蓋止口和軸承室等關(guān)鍵尺寸重點(diǎn)檢查，保證裝配后定、轉(zhuǎn)子同心度進(jìn)而保證氣隙均勻避免偏心。轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)軸同心，保證氣隙均勻避免偏心。

（二）牽引電機(jī)電磁噪聲抑制策略

從車(chē)輛角度考慮牽引電動(dòng)機(jī)電磁噪聲抑制問(wèn)題，只要增加車(chē)體隔聲材料，加強(qiáng)車(chē)體的密封性能即可。對(duì)于馬達(dá)本體，請(qǐng)?jiān)谝韵路矫娌扇〈胧┮越档驮胍簦海?）配合轉(zhuǎn)子槽，因?yàn)椴煌壑械慕M合馬達(dá)會(huì)產(chǎn)生不同階數(shù)的電磁波。（2）匹配、轉(zhuǎn)子溜槽處理、斜頂能有效減弱諧波磁場(chǎng)引起的附加扭矩和電磁噪音;（3）繞組形式，合適的繞組節(jié)距可有效降低電流諧波含量和電磁波振幅;（4）氣隙大小，適當(dāng)增加氣隙用于降低氣隙磁場(chǎng)密度，同時(shí)提高制造精度（保證氣隙磁場(chǎng)）的對(duì)稱性，降低徑向電磁波的振幅，從而降低電磁噪聲。但是，這些電磁噪聲抑制措施僅適用于車(chē)輛之前的設(shè)計(jì)階段。在車(chē)輛應(yīng)用過(guò)程中實(shí)施的話，改造周期長(zhǎng)，成本高。本文主要從牽引電動(dòng)機(jī)控制的角度討論電動(dòng)機(jī)電磁噪聲的抑制，一個(gè)是抑制電流諧波，另一個(gè)是避免電流諧波引起的徑向電磁力和牽引電動(dòng)機(jī)的模態(tài)頻率點(diǎn)引起的共振，在一定程度上可以更直接地實(shí)現(xiàn)噪聲抑制效果。

（三）降低機(jī)械噪聲的方法

降低機(jī)械噪聲的主要措施如下：（1）采用密封軸承結(jié)構(gòu)，防止雜物進(jìn)入軸承室;（2）選擇合適的軸承外圈與軸承室的配合、內(nèi)圈與軸的配合，不宜太緊。保證軸承外圈與軸承室的配合在合適的游隙范圍內(nèi);（3）確保電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布均勻，以及轉(zhuǎn)子的制造與安裝時(shí)的圓度和同心度合格。對(duì)轉(zhuǎn)子包括風(fēng)扇進(jìn)行動(dòng)平衡校正。

（四）降低空氣動(dòng)力噪聲的方法

降低空氣動(dòng)力噪聲的主要措施如下：（1）對(duì)散熱良好或溫升不高的電機(jī)可取消風(fēng)扇，消除噪聲源;（2）風(fēng)扇設(shè)計(jì)厚薄均勻、無(wú)扭曲變形、間距均勻，且應(yīng)校動(dòng)平衡;（3）電機(jī)設(shè)計(jì)中盡量減少風(fēng)道的障礙物，留有專用風(fēng)道，采用流線形風(fēng)道，風(fēng)道的截面變化不要突然。

五、結(jié)束語(yǔ)

牽引電機(jī)是地鐵車(chē)輛牽引系統(tǒng)的核心部件，也是車(chē)輛的重要噪聲源，尤其是在車(chē)輛啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中，不僅會(huì)通過(guò)結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞引起車(chē)廂地板、壁板振動(dòng)輻射噪聲，還會(huì)由空氣傳播通過(guò)車(chē)體透射引起車(chē)內(nèi)噪聲。牽引電機(jī)電磁噪聲由于其頻譜具有離散性，往往表現(xiàn)為較尖銳刺耳，影響乘車(chē)舒適性，常常引起客戶投訴，因此，牽引電機(jī)的噪聲性能越來(lái)越受到關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

[1]張道祿，晏才松.下一代地鐵車(chē)輛7叼～250永磁同步牽引電機(jī)研制[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2019，46（11）：50-55.

[2]謝曉龍，姜斌，劉劍慰.基于WE-ICA的牽引電機(jī)速度傳感器微小故障檢測(cè)與識(shí)別明.控制與信息技術(shù)，2019（02）：54-58+85.

[3]張佳敏.電動(dòng)汽車(chē)永磁同步牽引電機(jī)電磁及機(jī)械結(jié)構(gòu)特性研究[D].南京航空航天大學(xué)，2018.