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碳刷和換向器對(duì)電機(jī)噪音的影響有哪些？
日期：2023-05-10
“電子換相電機(jī)”（EC電機(jī)）和“步進(jìn)電機(jī)”屬于永磁同步電機(jī)的一類，EC電機(jī)通常是為連續(xù)驅(qū)動(dòng)任務(wù)設(shè)計(jì)的，步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)為能夠以盡可能小的偏差執(zhí)行規(guī)定的旋轉(zhuǎn)角度，并能夠保持這些規(guī)定的步進(jìn)位置，它們應(yīng)該具有最大的可能保持扭矩。這要求磁路的尺寸應(yīng)能產(chǎn)生高齒槽轉(zhuǎn)矩（相位中無電流轉(zhuǎn)矩），齒槽轉(zhuǎn)矩與保持轉(zhuǎn)矩重疊（電流流入相位）。因此，除了定子變形外，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩突變也是意料之中的，就像EC電機(jī)一樣，正弦電流都不用于步進(jìn)電機(jī)，在微步進(jìn)中，相位電流可以以微小的增量打開和關(guān)閉，以便在兩個(gè)保持位置，經(jīng)常使用。
磁阻步進(jìn)電機(jī)不需要任何永磁體，因此沒有任何齒槽轉(zhuǎn)矩，這些電機(jī)（“開關(guān)磁阻電機(jī)”）利用非常低的氣隙，寬度50μm是典型的，這會(huì)導(dǎo)致極高的徑向力，導(dǎo)致定子嚴(yán)重變形并產(chǎn)生高噪聲。在電子換相電機(jī)中，應(yīng)用于各個(gè)電機(jī)相位的電流通過電子電路斷開和接通，根據(jù)這些相電流隨時(shí)間變化的模式，徑向力和切向力作用于定子齒，力作用于電機(jī)相中的導(dǎo)體，后一種情況尤其發(fā)生在帶有氣隙繞組的無槽電機(jī)上。在矩形電流模式隨時(shí)間變化的情況下，隨著時(shí)間的推移，也會(huì)產(chǎn)生局部矩形力，從而在定子處引起突然的振蕩激勵(lì)，這會(huì)在電流相位的開關(guān)頻率（基本振蕩）激發(fā)振蕩以及它們的諧波。
在理想的矩形電流和理想的對(duì)稱電機(jī)下，轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間保持恒定，如果在現(xiàn)實(shí)中存在幾何不對(duì)稱、相位電感和電阻的差異以及電子線路的差異，那么電流時(shí)間間隔或重疊將導(dǎo)致各個(gè)相位，這將導(dǎo)致扭矩波動(dòng)和定子振動(dòng)激勵(lì)。由此產(chǎn)生的噪聲常被稱為“換相噪聲”，其重要性不可低估！使用與正弦電流模式一起工作的電子控制電路會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率降低，但它確實(shí)消除或至少大大降低了這類噪聲。
小型電機(jī)滑動(dòng)軸承振動(dòng)的機(jī)械誘發(fā)由此類振動(dòng)是軸與軸承表面之間間歇性機(jī)械接觸的結(jié)果，當(dāng)潤(rùn)滑油膜在軸和軸承之間圍繞整個(gè)圓周承載負(fù)荷時(shí)，不會(huì)發(fā)生這種接觸，也不會(huì)產(chǎn)生任何噪音。但是，在啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)軸承上的徑向力過大（皮帶傳動(dòng)、齒輪、氣隙場(chǎng)），當(dāng)軸和/或軸承套不圓或彎曲，如果燒結(jié)軸承表面沒有足夠的孔隙率，如果軸運(yùn)行表面太光滑時(shí)，會(huì)發(fā)生接觸，或者如果軸承中沒有足夠的潤(rùn)滑劑（混合摩擦）。其結(jié)果是軸承表面粗糙度峰值處的振動(dòng)，這取決于軸或軸承的彈性，在可聽范圍內(nèi)的許多頻率（頻譜中的頻帶）。旋轉(zhuǎn)的頻率及其倍數(shù)特別明顯。高頻振動(dòng)的振幅常常被簡(jiǎn)單地調(diào)制，這使得摩擦噪聲變得特別令人討厭。隨著潤(rùn)滑油不足的加劇，機(jī)械接觸增加，產(chǎn)生機(jī)械摩擦，磨損急劇增加，這會(huì)導(dǎo)致軸承的自然振動(dòng)（軸承摩擦產(chǎn)生的自感能量增加），這被視為吱吱聲或尖叫聲。在滑動(dòng)軸承中，變形是主要的，產(chǎn)生的變形力是次要的（位移激勵(lì)）。
許多電機(jī)都有滑動(dòng)觸點(diǎn)以在靜止和旋轉(zhuǎn)部件之間傳遞電流，如果這些觸點(diǎn)由閉合滑環(huán)、金屬刷或碳刷（如下圖）組成，則預(yù)期的振動(dòng)激勵(lì)理論上與非潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承相同?；h(huán)本身，因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量和硬度比金屬和碳刷大，所以不會(huì)被激發(fā)到產(chǎn)生可感知的聲學(xué)振動(dòng)的程度。金屬或碳刷的振動(dòng)方式在很大程度上取決于它們的固有彈性和質(zhì)量，也取決于用來固定它們的系統(tǒng)（彈簧、盒、錘刷架）以及滑環(huán)支承面，金屬或碳刷的表面積小，因此產(chǎn)生的噪音非常低。我們能感覺到的是傳遞到支架及其附近區(qū)域的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，因?yàn)檫@些部件有許多相對(duì)較大的輻射面，可以防止聲音短路。
在旋轉(zhuǎn)頻率及其倍數(shù)下，滑環(huán)的偏心、軸承表面的損傷以及與圓形的偏差變得明顯，一些調(diào)制發(fā)生，這是典型的軸承?；h(huán)的支撐面非常光滑或在運(yùn)行中變得非常光滑，如果空氣中濕度太小，隨著轉(zhuǎn)速的增加，碳刷和滑環(huán)的支撐面之間會(huì)形成氣墊，從而降低摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)隨著摩擦速度的增加而減小，由此產(chǎn)生的摩擦力也隨之波動(dòng)，使得碳刷產(chǎn)生自然振動(dòng)，就像小提琴弓被拉過琴弦時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)一樣。
這些振動(dòng)具有與碳刷架相關(guān)的自然波形和相應(yīng)的自然頻率，在3到10千赫的范圍內(nèi)，它們被作為一種巨大的口哨聲或尖叫聲聽到。如果在某些位置有平滑的斑點(diǎn)，并且電機(jī)以較低的速度運(yùn)行，則會(huì)聽到它們的啁啾聲。這種效果類似于制動(dòng)器的尖叫聲，其原因相同，可以通過設(shè)計(jì)特征來控制，如果使用金屬刷代替碳刷，通常不會(huì)出現(xiàn)不希望的自然振動(dòng)。
換向器（即滑環(huán)，由在圓周方向上彼此相鄰、彼此絕緣且連接到氣隙磁場(chǎng)感應(yīng)線圈段端部的段組成）除了上述振動(dòng)外，還具有進(jìn)一步振動(dòng)，這些節(jié)段嵌入一種固有彈性的絕緣聚合物中塑料的。這意味著，即使換向器運(yùn)行表面被加工到最精細(xì)的精度，從一個(gè)段到另一個(gè)段的鋸齒狀徑向臺(tái)階（在1μm及更小的范圍內(nèi)！）無法避免。這會(huì)激發(fā)金屬或碳刷的徑向振動(dòng)，類似于汽車輪胎在搓板路上行駛時(shí)的情況，在低轉(zhuǎn)速下，電刷會(huì)跟隨換向器的不均勻。
在更高的速度下，金屬或碳刷會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)脫離換向器，這取決于它們的特征彈性、特征質(zhì)量和彈簧接觸壓力。由于碳刷的質(zhì)量較高（低壓電機(jī)中的金屬含量），這種情況在碳刷上更容易發(fā)生而不是用金屬刷。后者還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是它們不都是同時(shí)抬起的。另外，由于它們的表面積很小，所以聲輻射很低。它們的使用壽命較短（磨損量小，無石墨潤(rùn)滑）抵消了這些優(yōu)點(diǎn)。
在每臺(tái)電機(jī)中，除了期望的力、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)之外，不可避免地還會(huì)產(chǎn)生不希望的力、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)。不期望的波動(dòng)（振蕩轉(zhuǎn)矩）疊加在期望的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩上，這導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的振蕩。由不平衡和磁效應(yīng)引起的徑向力引起徑向運(yùn)動(dòng)。隨著時(shí)間波動(dòng)的摩擦力出現(xiàn)在軸承和滑動(dòng)接觸面上，并引起不希望的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)齒輪箱安裝在設(shè)備中時(shí)，齒輪會(huì)引起不希望的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。所有這些運(yùn)動(dòng)都構(gòu)成結(jié)構(gòu)噪聲，它們被傳遞到電機(jī)的振動(dòng)表面。
磁阻步進(jìn)電機(jī)不需要任何永磁體，因此沒有任何齒槽轉(zhuǎn)矩，這些電機(jī)（“開關(guān)磁阻電機(jī)”）利用非常低的氣隙，寬度50μm是典型的，這會(huì)導(dǎo)致極高的徑向力，導(dǎo)致定子嚴(yán)重變形并產(chǎn)生高噪聲。在電子換相電機(jī)中，應(yīng)用于各個(gè)電機(jī)相位的電流通過電子電路斷開和接通，根據(jù)這些相電流隨時(shí)間變化的模式，徑向力和切向力作用于定子齒，力作用于電機(jī)相中的導(dǎo)體，后一種情況尤其發(fā)生在帶有氣隙繞組的無槽電機(jī)上。在矩形電流模式隨時(shí)間變化的情況下，隨著時(shí)間的推移，也會(huì)產(chǎn)生局部矩形力，從而在定子處引起突然的振蕩激勵(lì)，這會(huì)在電流相位的開關(guān)頻率（基本振蕩）激發(fā)振蕩以及它們的諧波。
在理想的矩形電流和理想的對(duì)稱電機(jī)下，轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間保持恒定，如果在現(xiàn)實(shí)中存在幾何不對(duì)稱、相位電感和電阻的差異以及電子線路的差異，那么電流時(shí)間間隔或重疊將導(dǎo)致各個(gè)相位，這將導(dǎo)致扭矩波動(dòng)和定子振動(dòng)激勵(lì)。由此產(chǎn)生的噪聲常被稱為“換相噪聲”，其重要性不可低估！使用與正弦電流模式一起工作的電子控制電路會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率降低，但它確實(shí)消除或至少大大降低了這類噪聲。
小型電機(jī)滑動(dòng)軸承振動(dòng)的機(jī)械誘發(fā)由此類振動(dòng)是軸與軸承表面之間間歇性機(jī)械接觸的結(jié)果，當(dāng)潤(rùn)滑油膜在軸和軸承之間圍繞整個(gè)圓周承載負(fù)荷時(shí)，不會(huì)發(fā)生這種接觸，也不會(huì)產(chǎn)生任何噪音。但是，在啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)軸承上的徑向力過大（皮帶傳動(dòng)、齒輪、氣隙場(chǎng)），當(dāng)軸和/或軸承套不圓或彎曲，如果燒結(jié)軸承表面沒有足夠的孔隙率，如果軸運(yùn)行表面太光滑時(shí)，會(huì)發(fā)生接觸，或者如果軸承中沒有足夠的潤(rùn)滑劑（混合摩擦）。其結(jié)果是軸承表面粗糙度峰值處的振動(dòng)，這取決于軸或軸承的彈性，在可聽范圍內(nèi)的許多頻率（頻譜中的頻帶）。旋轉(zhuǎn)的頻率及其倍數(shù)特別明顯。高頻振動(dòng)的振幅常常被簡(jiǎn)單地調(diào)制，這使得摩擦噪聲變得特別令人討厭。隨著潤(rùn)滑油不足的加劇，機(jī)械接觸增加，產(chǎn)生機(jī)械摩擦，磨損急劇增加，這會(huì)導(dǎo)致軸承的自然振動(dòng)（軸承摩擦產(chǎn)生的自感能量增加），這被視為吱吱聲或尖叫聲。在滑動(dòng)軸承中，變形是主要的，產(chǎn)生的變形力是次要的（位移激勵(lì)）。
許多電機(jī)都有滑動(dòng)觸點(diǎn)以在靜止和旋轉(zhuǎn)部件之間傳遞電流，如果這些觸點(diǎn)由閉合滑環(huán)、金屬刷或碳刷（如下圖）組成，則預(yù)期的振動(dòng)激勵(lì)理論上與非潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承相同?；h(huán)本身，因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量和硬度比金屬和碳刷大，所以不會(huì)被激發(fā)到產(chǎn)生可感知的聲學(xué)振動(dòng)的程度。金屬或碳刷的振動(dòng)方式在很大程度上取決于它們的固有彈性和質(zhì)量，也取決于用來固定它們的系統(tǒng)（彈簧、盒、錘刷架）以及滑環(huán)支承面，金屬或碳刷的表面積小，因此產(chǎn)生的噪音非常低。我們能感覺到的是傳遞到支架及其附近區(qū)域的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，因?yàn)檫@些部件有許多相對(duì)較大的輻射面，可以防止聲音短路。
在旋轉(zhuǎn)頻率及其倍數(shù)下，滑環(huán)的偏心、軸承表面的損傷以及與圓形的偏差變得明顯，一些調(diào)制發(fā)生，這是典型的軸承?；h(huán)的支撐面非常光滑或在運(yùn)行中變得非常光滑，如果空氣中濕度太小，隨著轉(zhuǎn)速的增加，碳刷和滑環(huán)的支撐面之間會(huì)形成氣墊，從而降低摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)隨著摩擦速度的增加而減小，由此產(chǎn)生的摩擦力也隨之波動(dòng)，使得碳刷產(chǎn)生自然振動(dòng)，就像小提琴弓被拉過琴弦時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)一樣。
這些振動(dòng)具有與碳刷架相關(guān)的自然波形和相應(yīng)的自然頻率，在3到10千赫的范圍內(nèi)，它們被作為一種巨大的口哨聲或尖叫聲聽到。如果在某些位置有平滑的斑點(diǎn)，并且電機(jī)以較低的速度運(yùn)行，則會(huì)聽到它們的啁啾聲。這種效果類似于制動(dòng)器的尖叫聲，其原因相同，可以通過設(shè)計(jì)特征來控制，如果使用金屬刷代替碳刷，通常不會(huì)出現(xiàn)不希望的自然振動(dòng)。
換向器（即滑環(huán)，由在圓周方向上彼此相鄰、彼此絕緣且連接到氣隙磁場(chǎng)感應(yīng)線圈段端部的段組成）除了上述振動(dòng)外，還具有進(jìn)一步振動(dòng)，這些節(jié)段嵌入一種固有彈性的絕緣聚合物中塑料的。這意味著，即使換向器運(yùn)行表面被加工到最精細(xì)的精度，從一個(gè)段到另一個(gè)段的鋸齒狀徑向臺(tái)階（在1μm及更小的范圍內(nèi)！）無法避免。這會(huì)激發(fā)金屬或碳刷的徑向振動(dòng)，類似于汽車輪胎在搓板路上行駛時(shí)的情況，在低轉(zhuǎn)速下，電刷會(huì)跟隨換向器的不均勻。
在更高的速度下，金屬或碳刷會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)脫離換向器，這取決于它們的特征彈性、特征質(zhì)量和彈簧接觸壓力。由于碳刷的質(zhì)量較高（低壓電機(jī)中的金屬含量），這種情況在碳刷上更容易發(fā)生而不是用金屬刷。后者還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是它們不都是同時(shí)抬起的。另外，由于它們的表面積很小，所以聲輻射很低。它們的使用壽命較短（磨損量小，無石墨潤(rùn)滑）抵消了這些優(yōu)點(diǎn)。
在每臺(tái)電機(jī)中，除了期望的力、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)之外，不可避免地還會(huì)產(chǎn)生不希望的力、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)。不期望的波動(dòng)（振蕩轉(zhuǎn)矩）疊加在期望的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩上，這導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的振蕩。由不平衡和磁效應(yīng)引起的徑向力引起徑向運(yùn)動(dòng)。隨著時(shí)間波動(dòng)的摩擦力出現(xiàn)在軸承和滑動(dòng)接觸面上，并引起不希望的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)齒輪箱安裝在設(shè)備中時(shí)，齒輪會(huì)引起不希望的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。所有這些運(yùn)動(dòng)都構(gòu)成結(jié)構(gòu)噪聲，它們被傳遞到電機(jī)的振動(dòng)表面。