關于電機周期性聲響的探討

黃鋼

(浙江多川電機技術有限公司，浙江 桐廬 311500）

1 前言

電動機作為旋轉運動的驅動部件，它的運行穩定性和可靠性直接影響了設備的最終性能與精度以及壽命。隨著工業自動化的發展，人們對于加工設備運行速度的要求越來越高，如加工母機數控車床和加工中心，想要得到光潔度優良的產品，以及更高的生產效率，其對于驅動主軸的電機要求非常高，驅動電機必須能達到較高的轉速，且擁有較小的振動和噪音。而電機的振動和噪音除了電機電磁設計方面造成的以外，整體機械結構的設計配合不當也會造成不同程度的振動噪音。公司一款電機用于數控車床主軸，其在4000轉附近運轉的時候出現周期性的嗡嗡聲異響，本文針對此噪音展開一系列的原因查找。

2 問題查找與原因分析

2.1 問題的排查

電機在廠里做空載測試，用不同品牌驅動器控制電機將電機提速到4000轉左右，電機在4000轉左右存在嗡嗡聲響并且伴隨著振動，低于或高于這個轉速段聲響消失。將電機繼續提速至5000轉，電機運行平穩，聲響消失，振動也正常。此時直接斷開驅動器的進線電源。驅動器失電后失去對電機的控制，電機從5000轉做緩慢自由停機，同時用外置測速儀檢測電機轉速，此過程中測試儀速度顯示在3800轉到4100轉區間內電機仍有嗡嗡聲響。通過此試驗可知更高速五千轉時電機振動良好，則說明電機的轉子動平衡沒有問題，自由停機時仍存在聲響，則說明此聲音與驅動器控制以及電機本身設計的電磁方案無直接關系。接下來重點排查機械結構對此聲音的影響。

2.2 原因分析

2.2.1 端蓋剛性的影響

電機聲音的來源分為整體結構的共振噪音和轉子旋轉的風阻噪音以及軸承的噪音異響。

結構共振主要是整體的結構剛性的影響。考慮是否為電機兩端軸承座支撐剛性對電機噪音的影響，原設計是平板式的鑄鐵端蓋，為此特意做了1個加厚的鋼板后端蓋，加大了軸承座的支撐強度以及軸承軸向預壓力承載面的強度。如圖1、圖2所示。

圖1 鑄鐵端蓋

圖2 加厚鋼板端蓋

安裝后對電機進行同樣的空載測試，發現電機無明顯改善，異響區間仍存在，為3850轉到4100轉較為明顯。排除端蓋材質與剛性對周期性的影響。

以上端蓋為直板端蓋，根據不同的應用要求，可將端蓋設計成盤式端蓋（圖3），盤式端蓋內軸向呈凸臺形，這有利于加大端蓋的軸向剛度，對于抑制電機軸向振動有一定的作用。

圖3 盤式端蓋

2.2.2 氣息的影響

由于電機氣息小，當氣體經過狹小空間時，會因摩擦振動產生一定的聲響。如果電機氣息不均勻，轉子旋轉時，相當于一個泵，在不斷地壓縮與釋放氣息內部的空氣，被壓縮與釋放的空氣，使其速度忽快忽慢，影響其頻率，最終影響其聲響，可能產生嗡嗡的周期性聲響。為此將電機拆解，檢查其轉子的外圓徑向跳動，徑向跳動為0.015mm，為正常設計范圍。電機定子兩端安裝止口為以定子內孔工裝脹緊定位來一次性加工兩端定位止口和端面，端蓋止口與軸承室為一次性裝夾加工，理論上同心度沒有問題，為了進一步驗證止口和軸承室的同心度，用三坐標測量儀測量端蓋的軸承室和安裝止口的同心度，結果顯示0.006mm，此數值也在正常設計范圍內。固定轉子的安裝同心度理論上沒有問題，排除氣息不均勻所造成周期性聲響的原因。

將同一臺電機轉子外圓不斷縮小，氣息由0.4變為0.45和0.5，在其他配件及尺寸都不改變的情況下，裝機后測試得到以下數據，見表1。

表1

根據表格數據，異響依然存在，但隨著氣息的增大，異響的轉速區間呈遞增趨勢，從主觀觀察，各區間周期性異響聲音稍有減弱。

2.2.3 軸承的影響

軸承的影響主要是不同品牌批次，以及與機械件內外徑的配合公差，以及游隙的選用和軸向預壓的調整等的影響為主。用同一組端蓋和定子以及轉子配件，裝上不同品牌的軸承，分別為進口NSK軸承、TPI軸承、國產人本軸承，在其他配件和尺寸鏈不變的情況下，測試數據，見表2。

表2

測試數據顯示周期性異響問題沒有明顯改善。

在傳統的傳動機構設計中，安裝軸承時均有工作游隙，工作游隙過大，軸承內載荷不穩定，運轉時產生振動，軌跡漂移，精度和疲勞強度差，壽命縮短；工作游隙過小，將造成運轉溫度過高，易產生抱死現象。軸承游隙又分為徑向游隙和軸向游隙，徑向游隙主要跟軸承內孔與主軸的過盈量大小以及與軸承座孔配合的尺寸相關。

電機安裝的同心度非常重要，但是沒有絕對同心的加工與裝配能力，軸承的徑向與軸向游隙都有限，如果軸承憋著或著內外圈配合的過緊將使得軸承運轉時不在最佳的位置狀態，不能輕微的調整其角度，將影響到軸承在整個系統中的運轉的平衡。為驗證軸承外圈與軸承室的配合間隙對電機周期性影響的大小，特準備三套端蓋，保證軸承室底部端面到安裝止口端面距離一致，軸承室大小尺寸分別加工到不同尺寸，在使用其他同一套配件的基礎上，3套端蓋分別裝配后，運轉電機得到以下數據，見表3。

表3

由數據看出，在其他不變的情況下，軸承室的配合間隙大小對電機的周期性異響產生一定的影響，但仍存在，只是轉移了異響的轉速區間。配合間隙越大，周期性異響區間越往后移。配合間隙的大小決定了軸承運轉的順暢性，也影響軸承的發熱和壽命，太小了不利于裝配，且軸承發熱后膨脹會吃掉一部分游隙，且增大軸承外圈與軸承室的摩擦阻力，影響軸承的阻尼竄動，不能調整到最佳運轉狀態。配合間隙太大，在電機加減速過程中外圈容易相對滑動，且影響電機的同心度。

由于生產工藝與加工的影響，一般電機運行時會產生軸向竄動，從而會產生一定的噪音和振動。設計時一般會在電機的其中一端用波形彈簧來給軸承外圈施加一定的預壓力，使得軸承滾珠與溝道的一邊貼合，從而對電機運轉時軸向竄動的轉子起到一個阻尼作用，預壓力過大或者過小對軸承噪音和振動都有很大的影響。當預壓力過大，則軸承滾珠和溝道貼的太緊，運轉時，摩擦阻力增大，軸承溫度升高，軸承易發出高頻的尖叫聲。當軸承預壓力過小，則波彈起不了作用，軸承滾珠在溝道里跳動運轉，產生很大的咕嚕運轉聲,并且預壓力無法抵消轉子竄動的軸向力，起不到阻尼作用而產生低頻的周期性嗡嗡聲。為了驗證這一結論，先將調整波形彈簧的工作高度來調整其預壓力，觀察其對電機噪音的影響。電機使用時會軸頭朝下，此電機的軸承配置為前軸承大，后軸承小，預緊波形彈簧置于后軸承。理論波形彈簧設計工作高度2mm，為驗證波彈預緊力對電機周期性異響的影響，現對同一臺電機采用調整墊片來調整波形彈簧的工作高度，使得波形彈簧分別工作在不同的工作高度。由于各廠家或批次的波形彈簧彈力有差別，現采用DS2-1000N數顯推拉力計測量波彈不同壓縮狀態下的壓力，得到如下彈力-位移數據，調整波彈工作高度后的電機測試數據，如表4所示。

表4

由上述數據可得軸承預緊力增加，則電機周期性異響區間往高轉速移動，但當波彈工作高度處于1.6mm的時候，電機高速時軸承發熱嚴重，說明此轉速下軸承預壓過大，不可采用。當波彈工作高度低于2.2mm，電機出現咕嚕咕嚕的滾珠聲響，說明電機預壓過小，滾珠不足以與溝道貼合。

3 結語

綜上所述,通過以上不同條件的測試，電機周期性異響類似電機結構共振，屬于電機固有的特性，雖然無法徹底消除，但可通過合適的公差配合、軸承預壓等削弱此噪音，或者將此噪音轉移至實際用不到的轉速區間。