关于电机周期性声响的探讨

黄钢

(浙江多川电机技术有限公司，浙江 桐庐 311500）

1 前言

电动机作为旋转运动的驱动部件，它的运行稳定性和可靠性直接影响了设备的最终性能与精度以及寿命。随着工业自动化的发展，人们对于加工设备运行速度的要求越来越高，如加工母机数控车床和加工中心，想要得到光洁度优良的产品，以及更高的生产效率，其对于驱动主轴的电机要求非常高，驱动电机必须能达到较高的转速，且拥有较小的振动和噪音。而电机的振动和噪音除了电机电磁设计方面造成的以外，整体机械结构的设计配合不当也会造成不同程度的振动噪音。公司一款电机用于数控车床主轴，其在4000转附近运转的时候出现周期性的嗡嗡声异响，本文针对此噪音展开一系列的原因查找。

2 问题查找与原因分析

2.1 问题的排查

电机在厂里做空载测试，用不同品牌驱动器控制电机将电机提速到4000转左右，电机在4000转左右存在嗡嗡声响并且伴随着振动，低于或高于这个转速段声响消失。将电机继续提速至5000转，电机运行平稳，声响消失，振动也正常。此时直接断开驱动器的进线电源。驱动器失电后失去对电机的控制，电机从5000转做缓慢自由停机，同时用外置测速仪检测电机转速，此过程中测试仪速度显示在3800转到4100转区间内电机仍有嗡嗡声响。通过此试验可知更高速五千转时电机振动良好，则说明电机的转子动平衡没有问题，自由停机时仍存在声响，则说明此声音与驱动器控制以及电机本身设计的电磁方案无直接关系。接下来重点排查机械结构对此声音的影响。

2.2 原因分析

2.2.1 端盖刚性的影响

电机声音的来源分为整体结构的共振噪音和转子旋转的风阻噪音以及轴承的噪音异响。

结构共振主要是整体的结构刚性的影响。考虑是否为电机两端轴承座支撑刚性对电机噪音的影响，原设计是平板式的铸铁端盖，为此特意做了1个加厚的钢板后端盖，加大了轴承座的支撑强度以及轴承轴向预压力承载面的强度。如图1、图2所示。

图1 铸铁端盖

图2 加厚钢板端盖

安装后对电机进行同样的空载测试，发现电机无明显改善，异响区间仍存在，为3850转到4100转较为明显。排除端盖材质与刚性对周期性的影响。

以上端盖为直板端盖，根据不同的应用要求，可将端盖设计成盘式端盖（图3），盘式端盖内轴向呈凸台形，这有利于加大端盖的轴向刚度，对于抑制电机轴向振动有一定的作用。

图3 盘式端盖

2.2.2 气息的影响

由于电机气息小，当气体经过狭小空间时，会因摩擦振动产生一定的声响。如果电机气息不均匀，转子旋转时，相当于一个泵，在不断地压缩与释放气息内部的空气，被压缩与释放的空气，使其速度忽快忽慢，影响其频率，最终影响其声响，可能产生嗡嗡的周期性声响。为此将电机拆解，检查其转子的外圆径向跳动，径向跳动为0.015mm，为正常设计范围。电机定子两端安装止口为以定子内孔工装胀紧定位来一次性加工两端定位止口和端面，端盖止口与轴承室为一次性装夹加工，理论上同心度没有问题，为了进一步验证止口和轴承室的同心度，用三坐标测量仪测量端盖的轴承室和安装止口的同心度，结果显示0.006mm，此数值也在正常设计范围内。固定转子的安装同心度理论上没有问题，排除气息不均匀所造成周期性声响的原因。

将同一台电机转子外圆不断缩小，气息由0.4变为0.45和0.5，在其他配件及尺寸都不改变的情况下，装机后测试得到以下数据，见表1。

表1

根据表格数据，异响依然存在，但随着气息的增大，异响的转速区间呈递增趋势，从主观观察，各区间周期性异响声音稍有减弱。

2.2.3 轴承的影响

轴承的影响主要是不同品牌批次，以及与机械件内外径的配合公差，以及游隙的选用和轴向预压的调整等的影响为主。用同一组端盖和定子以及转子配件，装上不同品牌的轴承，分别为进口NSK轴承、TPI轴承、国产人本轴承，在其他配件和尺寸链不变的情况下，测试数据，见表2。

表2

测试数据显示周期性异响问题没有明显改善。

在传统的传动机构设计中，安装轴承时均有工作游隙，工作游隙过大，轴承内载荷不稳定，运转时产生振动，轨迹漂移，精度和疲劳强度差，寿命缩短；工作游隙过小，将造成运转温度过高，易产生抱死现象。轴承游隙又分为径向游隙和轴向游隙，径向游隙主要跟轴承内孔与主轴的过盈量大小以及与轴承座孔配合的尺寸相关。

电机安装的同心度非常重要，但是没有绝对同心的加工与装配能力，轴承的径向与轴向游隙都有限，如果轴承憋着或着内外圈配合的过紧将使得轴承运转时不在最佳的位置状态，不能轻微的调整其角度，将影响到轴承在整个系统中的运转的平衡。为验证轴承外圈与轴承室的配合间隙对电机周期性影响的大小，特准备三套端盖，保证轴承室底部端面到安装止口端面距离一致，轴承室大小尺寸分别加工到不同尺寸，在使用其他同一套配件的基础上，3套端盖分别装配后，运转电机得到以下数据，见表3。

表3

由数据看出，在其他不变的情况下，轴承室的配合间隙大小对电机的周期性异响产生一定的影响，但仍存在，只是转移了异响的转速区间。配合间隙越大，周期性异响区间越往后移。配合间隙的大小决定了轴承运转的顺畅性，也影响轴承的发热和寿命，太小了不利于装配，且轴承发热后膨胀会吃掉一部分游隙，且增大轴承外圈与轴承室的摩擦阻力，影响轴承的阻尼窜动，不能调整到最佳运转状态。配合间隙太大，在电机加减速过程中外圈容易相对滑动，且影响电机的同心度。

由于生产工艺与加工的影响，一般电机运行时会产生轴向窜动，从而会产生一定的噪音和振动。设计时一般会在电机的其中一端用波形弹簧来给轴承外圈施加一定的预压力，使得轴承滚珠与沟道的一边贴合，从而对电机运转时轴向窜动的转子起到一个阻尼作用，预压力过大或者过小对轴承噪音和振动都有很大的影响。当预压力过大，则轴承滚珠和沟道贴的太紧，运转时，摩擦阻力增大，轴承温度升高，轴承易发出高频的尖叫声。当轴承预压力过小，则波弹起不了作用，轴承滚珠在沟道里跳动运转，产生很大的咕噜运转声,并且预压力无法抵消转子窜动的轴向力，起不到阻尼作用而产生低频的周期性嗡嗡声。为了验证这一结论，先将调整波形弹簧的工作高度来调整其预压力，观察其对电机噪音的影响。电机使用时会轴头朝下，此电机的轴承配置为前轴承大，后轴承小，预紧波形弹簧置于后轴承。理论波形弹簧设计工作高度2mm，为验证波弹预紧力对电机周期性异响的影响，现对同一台电机采用调整垫片来调整波形弹簧的工作高度，使得波形弹簧分别工作在不同的工作高度。由于各厂家或批次的波形弹簧弹力有差别，现采用DS2-1000N数显推拉力计测量波弹不同压缩状态下的压力，得到如下弹力-位移数据，调整波弹工作高度后的电机测试数据，如表4所示。

表4

由上述数据可得轴承预紧力增加，则电机周期性异响区间往高转速移动，但当波弹工作高度处于1.6mm的时候，电机高速时轴承发热严重，说明此转速下轴承预压过大，不可采用。当波弹工作高度低于2.2mm，电机出现咕噜咕噜的滚珠声响，说明电机预压过小，滚珠不足以与沟道贴合。

3 结语

综上所述,通过以上不同条件的测试，电机周期性异响类似电机结构共振，属于电机固有的特性，虽然无法彻底消除，但可通过合适的公差配合、轴承预压等削弱此噪音，或者将此噪音转移至实际用不到的转速区间。