电机运行噪声大故障原因分析

电机运行噪声大故障原因分析

李莹

身份证号码：411421199403106021

摘要：现代化工企业在生产中，机械设备在运转时，每时每刻都处于各种激励的作用下，不可避免地产生振动，振动的产生必然会带来各种各样的噪声。有的噪声连续、均匀，属于正常的声音；有的噪声尖锐，伴有高频啸叫声，随时间的推移越来越大。《中华人民共和国环境噪声污染防治法》中第三章第二十五条明确规定：产生环境噪声污染的工业企业，应当采取有效措施，减小噪声对周围生活环境的影响。所以，作为一个现代化企业，有责任、有义务做好生产设备噪声的治理工作。

关键词：电机；噪声；故障

永磁同步电机具有体积小、质量轻、功率密度高等诸多优点，在工业场景应用中愈发广泛，涵盖了汽车、制造、航空和医疗等领域。虽然内置式永磁同步电机具有诸多优点，但是其等效气隙长度较小，通常会产生较多的径向电磁力谐波分量以及较大的谐波幅值，很容易激发对应的定子模态，造成较为严重的振动，从而产生噪声。

1 电机噪声的分类及原因

简单来说，电机运转噪声是由机械噪声、电磁噪声和空气动力噪声组合而成。

电机噪声主要来源是机械噪声，大型、高速电机易产生机械噪声，转子动平衡不好、机械不对中或地脚缺陷等都会产生机械振动，引起机械噪声增大。电机定、转子部件固有频率和转速频率一致时，也会产生机械噪声。当电机装有端罩式风罩时，罩子往往被电机的振动所摇撼并发生振动，同样会产生噪声。通过提高安装质量，提高转子动平衡精度，加装抑振设施等方法可以有效减小机械振动，降低噪声。

电磁噪声主要是由电磁场交替变化，引起某些机械部件或空间振动造成。此种噪声与交变电磁场特性、被迫振动部件和空间大小形状等因素有关，当电磁场消失时，该噪声也随之消失。设计时通过降低电机的气隙磁通密度，采用电枢斜槽和磁性槽楔，都是降低齿谐波和电磁噪声的有效措施。提高气隙装配时的均匀度和铁心的叠装质量，都有利于降低电磁噪声。

空气动力噪声分为涡流噪声和笛鸣噪声两种。涡流噪声主要是由转子和风扇引起的冷却空气湍流，在旋转表面交替出现涡流引起的；笛鸣噪声是通过压缩空气或空气在固定障碍物上擦过而产生的，优秀的空气动力设计会有效降低此种噪声。

2 电机噪声优化

2.1 优化目标与设计参数

1)定子齿中心处设置矩形辅助槽。越靠近齿部中心，磁阻越大，气隙磁密径向分量越小，从而该气隙磁密产生的径向电磁力也越小。又因为齿部中心受力越小，所以产生的振动以及噪声也越小。定子辅助槽并不在所有定子齿上设置，避免转矩脉动过高和平均转矩下降。

2)转子内部采用转子内置直槽结构。这种结构从增大磁路磁阻的角度来削弱径向气隙磁密。但相比于转子开辅助槽，这种结构对气隙磁阻的影响较小，因而对转矩性能的影响不大。

采用上述结构能够影响径向电磁力，且影响程度随着自变量的变化而变化。这里要注意的是，上述结构变化也不宜过大，否则会引起较大的转矩脉动，从而影响转矩性能。需要采用多目标算法来实现电磁振动噪声优化。

2.2 优化模型

在确定优化目标以及设计参数后，引入综合优化目标函数来评估电机的性能，其中采用权重系数λ来表示对象的相对重要性。权重系数取决于优化目标和设计要求的重要性。没有确定权重系数λ的标准，但权重系数之和必须等于1。

此外，约束必须满足以下两个要求。首先，设计参数的范围必须在设计参数的最大(最大xi)和最小(最小xi)范围内；其次，设计参数来自定子和转子部分，且主要影响电磁振动噪声。优化设计是在转矩性能基本不变的情况下实现的，转矩性能变化，必然会影响到电机的工作性能，这就违背了优化的本意。在仿真实验中，提出的结构对平均转矩的影响较小，但存在转矩脉动的变化。综合考虑，选择了转矩脉动和电磁振动噪声作为约束条件。此外，优化后的声学性能必须得到改善。

2.3结构优化前后电机的噪声和电磁性能对比

为更加直观地看出优化前后电机性能差异，电机的电磁振动噪声由最初的62.02 dB降低至53.53 dB,降低了13.69%;转矩脉动由最初的0.20 N·m降至0.15 N·m, 降低了25%;平均转矩为1.26 N·m, 并未出现下降。

优化后多转速下多转速运行时，电机振动噪声整体性能得到改善，从而验证了该结构优化对电机电磁振动噪声有较为明显的抑制作用。

2.4风扇轴系结构优化

振动传递路径优化后，噪声峰值下降。为了能进一步改善噪声，本文从振动源头（风扇-电机）入手，对振源进行优化。风扇通过轴系结构同电机相互作用，在运行时产生相互作用力，引起电机振动。因此通过优化风扇轴系结构，来控制电机振动，从而减弱振动传递。

2.5 风扇轴系固有频率

风扇扇叶通过风扇轴系同电机轴承连接，首先对风扇进行轴系固有频率测试，采用电机自激励固有频率测试方法，引出电机线圈两极，对其输入频率可变的正弦波激励信号，激励磁场使转子受力。当输入激励与电机-风扇旋转阶固有频率重合时，风扇受激振颤，通过加速度传感器能检测到明显的振颤信号。使用B&K测试软件进行激励输入，通过采集风扇的振动数据，进行轴系固有频率分析。

其中切向方向在130Hz附近处出现峰值，同噪声结果吻合，可判断风扇达到一定转速后，产生的激励频率在130Hz附近时风扇发生共振，使其运行时产生的激励增大，迫使电机支架发生受迫振动而引发噪声不良。

2.6开关频率噪声

电机控制器采用PWM(脉冲宽度调制)空间矢量脉宽调制技术将动力电池提供的高压直流电转换为三相交流电供驱动电机使用。经逆变后得到的定子三相电流中含有大量时间谐波，导致电机气隙磁场中产生大量谐波。这种三相电流引入的高次谐波会使电机产生电磁振动噪声，频率主要分布在开关频率及其倍频附近，同时电磁力波频率可能与电机固有模态频率重合而产生共振，加剧开关频率噪声。

目前对于电驱总成因功率器件开关作用而引入的高频开关噪声并无太好的控制方法，多采用进一步提高电机控制器开关频率的方法，把开关频率提高到10 000 Hz甚至更高，使开关噪声的作用频率超出人耳敏感的听觉频率范围，从而减少车内乘员对开关频率噪声的抱怨。然而在实际工程应用中，考虑到成本等因素，受限于电机控制器本身软硬件能力，很多时候并不能一味地提高电机控制器的开关频率。因为提高开关频率，相应地对电机控制器整体效率、散热能力及芯片算力等的要求也会提高。因此，简单地直接提高电机控制器开关频率不是一个好的解决开关噪声的方法。学者们对电机控制器导致的高频开关频率噪声做了不少研究，阮诗颂等通过实车试验验证了采用吸音纤维进行声学包裹对降低电驱总成高频开关噪声的有效性。但吸音纤维等吸音材料价格昂贵，会显著增加整车成本。王刚等分析认为采用增大电流角的方法可以在不提高开关频率的情况下降低开关频率噪声。但增大电流角的同时可能导致电机输出转矩降低。

结论

噪声的防治主要是控制声源和声的传播途径，以及对接收者进行保护。噪声故障处理是一起典型的噪声防治案例，产生噪声的直接原因就是绝缘漆层起皮形成的“笛鸣噪声”，将故障点处理完毕后异常噪声立即消失。电机的异常噪声主要是由于电机大修时，定子绕组浸漆过程中遗留在电机内的绝缘漆未清理干净所致。为此，及时将故障处理过程向电机修理厂家反馈，进一步改进电机维修质量管控细则，将电机修理工作分解成小项，列出每项工作的检修标准，严格按照检修标准修理，确保不再出现类似检修质量事故。

参考文献：

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[3]陈明轩,尹红彬,高永超,石翔,刘从臻. 采用转子开槽的内置永磁电机噪声抑制[J]. 重庆理工大学学报(自然科学),2022,36(08):109-116.

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