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电机振动与噪声.doc

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电机振动与噪声.doc
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电动机振动和噪声是一个比较老的但又是一个仍然存在和难以解决的问题。引起电动机振动和噪声的原因很多,大致可归结为两个方面:(1)电磁因素:如电路中电参数不平衡、磁拉力不平衡等;(2)机械因素:如转子动平衡不好而引起的噪声等。永磁电动机与普通电动机相比有许多优点,磁钢代替普通电动机中的励磁,提高了电动机效率,节省了材料并减小了电动机体积。但在永磁材料应用中还存在一些问题,如电动机噪声、振动增大等,因此,解决这些关键问题尤为重要。我们首先要判别电动机的振动由何原因引起的,即电磁和机械原因判定。区分是电磁原因还是机械原因产生的方法是将电动机运转至最高转速,突然切断电源,若振动随之突然减小,振动则是电磁原因引起的;若振动变化不大,则主要是机械原因引起的。根据电动机振动噪声源的强弱程度,应首先治理电动机中最突出的振动噪声源,找出相应的减振降噪的具体措施,才能起到事半功倍效果。1 电磁因素电磁原因:(1)电磁力。这种电磁力主要是由极靴下磁通的纵振荡产生的,通常具有齿频率。由于直流电动机固定在机座上的主极是集中质量,在交变磁拉力和主极集中力的作用下,使机座产生挠曲和横向振动。设计上采用非均匀气隙、电枢斜槽等,都是减少磁通振荡和振动电磁力的有效措施。(2)气隙的不均匀。由于装配气隙不均匀,电动机运行时产生单边磁拉力,其作用相当于电动机转轴挠度增加。因此保证气隙装配均匀是防止振动的必要措施。(3)转子线圈损坏。由于转子线圈损坏使电动机运行时转子径向受力不均匀,其结果与转子不平衡类似。不过,转子线圈损坏可用电枢检验仪测出。根据以上产生电磁振动噪声的原因,可采取以下对策:(1)合理的工艺结构和严格的工艺偏差在普通直流电动机中,负载时电枢反应使气隙磁场畸变,磁极下一边的磁密比另一边的磁密大,造成气隙磁密不均、换向恶化。因此在主磁极间加装换向极,使换向极产生的磁场与交轴电枢反应磁场抵消,以改善换向条件,并可适当降低由换向不利引起的噪声。但在永磁电动机中,却因为永磁材料的使用而带来问题。作为磁极,磁钢是产生恒定不变的磁通的源,但它本身的磁阻却很大。在永磁电动机中,一般作为换向极的磁钢,其产生的磁势大小基本恒定,难以对空载、负载时不同的电枢反应作出相应的有效补偿,因此起不到降低由换向不利引起的噪音的作用。在永磁电动机中,不论是以磁钢作定子或作转子,磁钢对铁心的齿槽效应不仅影响力学性能指标,而且也影响到噪声和振动。针对齿槽效应有两个办法:采用偏心气隙和人字形磁钢。偏心气隙既是削弱电枢反应磁场的办法,也能削弱由齿槽效应产生的交变力引起的噪声和振动。它使气隙磁密发生变化,使本来很快进入磁极的齿槽变成逐渐进入,减少了磁钢对齿槽间气隙磁密的突变,试验证明,效果比较明显,尤其是在高速时。人字形磁钢的目的也是为了使齿或槽逐渐地进入磁钢,过渡部分一般为一个齿距t(如图 1 所示) ,对降低磁噪声也有较明显的效果。通过试验发现,在永磁电动机中采用不均匀气隙对降低噪声比较有利。均匀气隙和两种不均匀气隙在空、负载时的电枢反应情况如图 2 所示。图 2b 是偏心气隙,气隙长度从磁钢中心线至极尖连续光滑增大,这样可有效抑制电枢反应引起的气隙磁场畸变,改善换向,也改善了磁钢因受电枢反应而产生的不可逆去磁现象。图 2c是磁钢尖端削角而其余部分气隙均匀的情况,圆弧两端各约六分之一长变成直线,实践证明两种情况都有效地抑制了电枢反应,偏心气隙有利于调速,但平均气隙磁密较低,而削角气隙比较好。(2)使电动机结构件的固有频率与旋转齿频偏离许多以磁振动噪声为主的电动机往往存在共振现象,避免共振效应可以大大降低电动机的磁振动噪声。要避免共振,除改变定子结构参数以改变固有频率外,还可以改变电枢齿数 z。值得注意的是,发生共振现象的可能是定子的共振,也可能是端盖、转子的共振,甚至是整机的共振。电动机的固有频率十分丰富,要完全避免共振是不可能的,主要是避免旋转齿频与固有频率的接近和吻合。一般至少应使机壳、端盖的固有频率偏离齿频120%以上,转轴的临界转速应高于额定转速 30%以上。(3)多槽小齿距设计和斜槽在电枢直径 D 一定的条件下,槽数的选择主要受到绕组形式、绕组对称条件及电动机效率的约束。电枢槽数增加一槽,换向片数增多,换向片距减小,换向区宽度变窄,减小了主磁场对换向元件的干扰;降低了片间电压;齿谐波磁密减小,则磁振动噪声、换向元件中的合成电势都减小;每极磁通减小,电枢铁心长度缩短。在满足电动机效率的前提下,采用多槽设计在降低磁振动噪声的同时会带来较多益处。斜槽式电枢使电动机气隙磁导变得均匀,削弱了齿谐波的有害影响,降低了齿槽效应引起的磁通脉动,既降低了磁振动噪声,也改善了电动机低速下的蠕动。通过实验表明电枢斜一个齿距降噪效果明显,约 10 dB。在磁钢的实际使用中,每块磁钢对铁心都存在磁拉力,若在整个圆周内磁拉力分布不均、则会使电动机产生噪声、振动,因此应该使同极性下气隙磁密尽可能接近,这就要求在磁钢装配前能被准确地测量。一般用普通特斯拉计仅能逐点测量一块磁钢上的各点磁密。为准确地测量每块磁钢的平均磁密可在专用测试工装上,设置几个测量元件,同时测量几个关键点的磁密并通过计算自动数显其平均值。用这个方法既提高了测量准确度,也提高了大批生产的效率。我厂在一系列永磁直流电动机中进行了试验,实践证明上述方法确实对解决永磁电动机的换向、噪声、振动等起到了一定的帮助。2 机械因素电动机的机械噪声主要从电动机结构设计、制造工艺和装配质量上进行控制。引起机械振动和噪声的原因很多,主要有三个方面:(1)转子不平衡;(2)零部件的加工工艺;(3) 轴承因素。由于结构不对称(如键槽等),材料质量不均匀(如厚薄不均或有砂眼)或制造加工的误差( 如孔钻偏或其它)等原因,而造成转子的动不平衡,转动时由于偏心的惯性作用,将产生不平衡的离心力或离心力偶,在其作用下,引起电动机振动,从而产生噪声。转子铁心的直径与长度之比越大,轴承和各支撑部件的刚性差,转子转速高,对平衡精度要求较高些。在转子生产过程中出现不平衡的主要因素可归纳为:(1)铁心厚度不一致; (2)压铁心时轴被压弯;(3)排线不良;(4)线的张力不够;(5) 线的质量问题;(6) 转子浸漆、烘干时,有时需要卧置,上下两部分的涂漆不匀,造成不平衡。根据以上不良的主要因素,可采用以下对策:(1)冲压时注意冲片各个尺寸是否合格;(2)冲片是否有落料变形问题,特别是尖角部分,是否有很大毛刺;(3)材料厚度是否均匀,压后铁心厚度是否一致,这一点还将影响绕线时线圈的大小,造成不对称。通常,整张硅钢片一般中间厚、两边薄,所以在下料时,同一张硅钢片所下条料,应该顺次地叠放在一起,如不注意则容易产生两端面不平行;(4)漆包线是否光滑,线径是否一致,线的软硬程度是否合适; (5)绕线机是否正常;张力器的压头是否平行压线,滑轮转动是否灵活等。(6)操作人员是否合格;(7) 平衡胶泥干后,转子的动平衡精度是否下降很多。我们先用去除铁心的方法做一次粗动平衡,然后用加重法做动平衡,这样不仅可以降低了平衡胶泥用量,而且可以使其精度变化不大。零部件制造工艺要根据各自厂家的材料性质和加工设备等来确定本厂的加工工艺方案,作业守则。它对电动机的振动噪声也有很大的影响,主要体现在以下四个方面:(1)转轴轴承档、端盖轴承室的加工精度和表面粗糙度也影响定、转子之间的同轴度,从而导致气隙不均匀,产生单边磁拉力,电磁振动增大,附加噪声也随之增大。因此对转轴轴承档、端盖轴承室的精加工工序设立质量控制点,实施重点控制。严格控制轴承挡和轴承室精加工的质量,对于降低电动机的振动和噪声是有效的。(2)转轴弯曲造成不平衡的重量,其结果和转子不平衡相同。轴颈椭圆或转轴弯曲可用百分表在偏摆仪上测得,轴颈椭圆必须进行焊修或刷镀后磨圆处理,转轴弯曲时必须校直处理。(3)机座、端盖重要支撑件制造误差或变形。由于机座、端盖等转子重要支撑件的配合面形位公差超差,特别是大、中型电动机运行较长时间后,机座、端盖等重要支撑件变形,使电动机在运行时轴承产生干扰力,造成电动机振动。这些配件的超差或变形可采用回转打百分表等方式测得,发现情况后,应对配件进行焊修等工艺方式处理,或更换配件。(4)换向器表面的加工质量对电动机噪声的影响。常规换向器表面加工指标为:粗糙度 Rα=1.6~0.8μm;全跳动≤0.008 mm。影响它的主要因素有:轴的圆度和直线度(轴应该有良好的圆度,但经过磨削加工的轴,与理想的圆度只能接近,而无法达到。轴在 V 形架上转动时,其轴心也随之变动,加工出的换向器也形成一个基本相似的不圆面。);换向器精切机的性能;合理的加工工艺参数;转子先进行有效的动平衡后再进行车削;换向器材质的好坏;点焊给换向器带来的影响。点焊过程实际上是退火过程,当点焊参数调节不当时,过量电流会引起换向器片的大范围发热。发热越多,退火程度和面积都越大。车削这种换向器时,运离点焊处会得到较好的车削效果,接近处,精度将明显下降。不规则的换向器将引起碳刷的不规则磨损,降低电动机使用寿命。在机械振动方面,轴承的影响是不可忽视的因素。轴承本身的问题(内外圈的粗糙度、圆度,滚珠的圆度、粗糙度、硬度,保持架的结构及材料等)及轴承游隙等都会对振动产生影响。尤其是滚动轴承,它产生一种固定频率的振动,由于它的油膜很薄,转子轴和轴承座之间的相对移动很小,除固定频率外,还可能存在着由于滚动轴承本身的弹性变形所引起的频率更高的振动,以及因轴承磨损而发生的不规则振动。对于磨损轴承,在电动机运转时其振动噪声频率较高,较易判断,及时更换轴承。电动机装配后,轴承出现异常响声有时是连续的、有时是断续周期性的。通常的处理办法是换一套轴承,然而实践证明更换轴承并非都有效,尤其对出现周期性异常声响的电动机根本不起作用。一批 zYTllO 型电动机,装配后进行出厂检查,在振动测试过程中,出现周期断续异常响声。振动检查结果如表 1 所示。原以为是轴承问题,更换轴承后仍无效果;再将电动机进行拆检分析,有关部位尺寸均符合图纸要求;后发现是电动机采用的全封闭球轴承润滑脂时间过长造成的。更换后,异常响声立即消失,重新检测振动值,符合标准(换脂后试验结果如表 1 所示)。承载区,其他称为非承载区。在钢球从非承载区的 D 运动到 D 的过程中,钢球自重与离心力的合力的大小及方向不断发生变化,钢球交替与内外圈滚道碰撞,从而轴承内部产生异音。这种异音可以通过对轴承的预紧加以消除。因此,我厂 ZYT 系列电动机设计中要求前端轴承外圈必须有波形垫圈,其作用是给轴承外圈一定的预紧力。通常这个预紧力(从试验中测得 )如表 2 所示,若预紧力过小,轴承轴向窜动量得不到控制;若预紧力过大,使轴承摩擦增大,温度上升,轴承寿命降低,甚至影响机械损耗。合适的压力是根据波形垫圈的软硬度确定,严格控制电动机的轴向问隙,以保证轴向预紧力在规定的范围,可以取得降低噪声 3~5 dB(A)左右的好效果。有了合适的轴向预紧力,并不能完全使电动机噪声不超标,轴承的径向工作游隙也是轴承噪声增大的主要原因。尤其是轴承径向工作游隙偏小或无间隙运行,噪声超标更为突出。从实验得知:轴承径向装配间隙(轴承室孔与轴承之间)保证在 O 012~0.017mm 的范围内,就可基本消除无间隙或间隙偏小运行,轴承噪声显著降低。经过多年的运行证明,本厂轴向预紧力选定和轴承室径向公差的改进是合理的,修改后的轴承噪声合格率较修改前提高了 80%,电动机质量得到了保证。通过上述实例分析,电动机轴承异常声响产生的主要原因是:(1)轴承本身质量问题 (如发出高频振动声“哒哒…” ,且频率随轴承转速而变化) ;(2) 轴承位置的尺寸链公差超差造成的轴向窜动(电动机空载运转时发出类似蜂鸣一样的声音,且轴向异常振动,开或关机时有“嗡” 声音);(3)轴承径向工作游隙偏小或无间隙。为了消除这种现象,电动机制造厂首先要保证尺寸的加工精度,按中间公差生产,避免出现公差极端现象,加强轴承进厂检查,装配前应清洗并涂上干净的润滑脂,这样可最大限度地避免产生轴承异常响声。3 结语电动机的振动噪声指标与电动机的电气和机械性能一样,应进行严肃地综合论证,否则得不偿失。一些行之有效的减振降噪措施往往影响电动机的主要技术指标和增大电动机的重量、尺寸和成本。如果过分地追求电动机的振动噪声指标,必须以牺牲电动机的技术和经济指标来换取。如:要大幅度地降低通风噪声就必须完善电动机的防护型式和冷却方法一闭式循环冷却。但也有不少例子说明,掌握了减振降噪规律后,只在结构和没计参数中作少量改动就可以大幅度地降低电动机的振动和噪声。
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