许 军

（上海实业交通电器有限公司，上海 200030）

汽车用永磁直流电机零件的降噪设计及其分析

许 军

（上海实业交通电器有限公司，上海 200030）

随着人们对生活质量要求的不断提高，人们对汽车内部噪声的要求也不断地提高。电机作为汽车众多运动部件（如天窗、电动门玻璃、电动座椅等）的执行元件，对降低汽车内部噪声水平有着直接的影响，为有效降低汽车内部的噪声水平，文章从与产生电机噪声有关的各个零件的设计入手，详细分析产生电机噪声的原因并给出降低电机噪声的设计方法，从而为汽车用电机的设计工程师和质量分析工程师提供切实有效的指导意义。

噪声；dB(A)；换向器；轴承；弹簧

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-156-03

引言

随着绿色环保理念的不断深入，以及人们对追求舒适、健康生活要求的不断提高，对汽车内部噪声的要求也越来越高，降低汽车用永磁直流电机的噪声能有效降低汽车内部的整体噪声水平，是提高汽车质量、满足驾驶员和乘员舒适性要求的有效方法之一。因此，对汽车电机设计人员来说，在设计之初，切实重视对噪声控制，将非常有利于从根本上降低汽车用永磁直流电机的噪声水平。同时，质量分析工程师，根据噪声产生的原因和机理，有针对性地分析噪声故障车或故障件，从而更快、更好地找出造成噪声故障的根据原因。下面，分别对影响永磁直流电机噪声的零件及其设计进行说明与分析。

1、碳刷

碳刷是直流永磁电机中直交流转换的零件之一，因换向器的高速转动而造成碳刷的高频率振动，从而产生噪声，碳刷设计的好不好对电机的整体噪声水平有非常大的影响。

1.1 碳刷的形状对噪声的影响

在碳刷形状方面，碳刷与换向器端面的形状对电机的噪声大小影响最大，由于电机高速旋转，碳刷与换向器相对滑动接触时，将产生微小的周期性振动，这无疑将带来噪声。由于换向器的片间存在高度差，并且由于工艺的原因，铜的换向器片边沿呈锋利状态，这样，在电机运转过程中，就很容易划动碳刷，生产振动和噪声。为了尽量减小由此产生的噪声，将碳刷的前端面设计成半径稍大于换向器半径、与换向器同弧向的圆弧面，这将有效降低碳刷的噪声。

1.2 碳刷与刷盒的间隙大小对噪声的影响

在保证电机在高、低温环境下运行时，碳刷不被卡死的情况下，换向器的切向方向的碳刷与刷盒的间隙越小越有利于噪声的降低；在换向器的轴向方向，间隙则要视弹簧的形式、碳刷尾部形状，进行适当的设计，太小太大，都不利于噪声的控制。对碳刷的公差带，以目前工艺，在非机压方向，公差带可以做到：0.05mm。

1.3 碳刷材料对噪声的影响

碳刷的铜碳比、粘结剂等对噪声都有直接的影响，一般来说，铜的比率越低噪声就会越低，硬度低的粘结剂也会降低噪声。铜碳比的确定还要考虑成本、电流和电机寿命的因素。

2、换向器

换向器也是直流永磁电机中直交流转换的零件之一，是对永磁直流电机的噪声有重要影响的零件之一。

2.1 换向片的材料和硬度对电机噪声的影响

含银量高的比含银量低的换向片有利于降低电机噪声，硬度低的比硬度高的换向片有利于降低电机噪声；但是，因为考虑成本因素，一般情况下不会轻易采用含银量过高的铜材作为换向片。

2.2 换向器片与片之间的径向高度差对电机噪声的影响

换向器片与片之间的径向高度高度差越小越有利于降低电机的噪声，对汽车用永磁直流电机而言，该高度差值应小于0.003mm。

2.3 换向片表面粗糙度对电机噪声的影响

有些技术人员认为，换向片表面的粗糙越高越用于降低的电机噪声，其实不然，实验证明，将换向片的表面粗糙度控制在Ra0.7~1.0之间最有利于降低电机的噪声。

2.4 换向器加工工艺对电机噪声的影响

换向器由铜、银、电木粉等物理性质各异的材料制成，换向器经过长时间的高温环境下运转与离心作用后，需要保证表面的几何形状稳定不变。在电机运转过程中，碳刷与每个换向器片发生的是间断性接触，当碳刷从一个换向片切换到另一个换向片时，因换向片倒角的圆滑度有限，会引发碳刷振动，且换向器的表面局部圆度大小不一也会造成碳刷振动的加剧。在换向器的加工过程中，要根据图纸要求，对于换向片工作面的直径、长度等也要进行严格控制，尽量缩小尺寸公差和外圆圆度偏差，并对换向片表面进行抛光处理。

3、弹簧

弹簧的作用是压住碳刷，以保证碳刷与换向器之间有良好的接触，以减小碳刷与换向器之间的接触电阻和火花。

3.1 弹簧类型对噪声的影响

永磁直流电机用弹簧有：压簧、扭簧和弹片。在噪声方面，压簧好于扭簧，扭簧好于弹片。这主要是因为不同类型的弹簧，弹力施加到碳刷上之后，碳刷与受力点及受力平衡度不同而生产的差异。

3.2 弹簧初始压力对噪声的影响

由于碳刷与换向器是直接接触，在电机运行时必然发出一定的摩擦声和振动声，该声音大小受多种因素影响，如碳刷弹簧的初始压力、碳刷和换向器接触面的大小、换向器的光滑程度等，其中弹簧初始压力的影响最为明显。如果弹簧的初始压力适当小一些，当电机运转时，抑制碳刷径向振动的能力就会减弱，同时，碳刷与换向器接触面的切向摩擦力也会因弹簧压力的小而变小，这将有利于减轻碳刷切向和轴向的振动，而碳刷切向和轴向的振动是生产噪声的主要方面，径向则是次要方面，所以，从消除噪声的角度来说，弹簧的初始压力不能太高，以保证弹簧终止能使电机正常运行为宜。当然，也不能将弹簧的初始压力设计得过小，过小会造成碳刷与换向器接触不良及生产火花类噪声。经验显示，碳刷弹簧的压力在1.5~2.5N/cm2之间最为合适。

4、轴

是指电机中的电枢轴。

4.1 轴的强度对噪声的影响

在电机中，轴属于受力件，所以，轴的强度对电机噪声的影响比较大，如果轴的强度不够高，在电机加载运转状态下，轴的抖动过大或变形弯曲，将使电机振动加大，从而使电机的噪声增大。

4.2 轴上的蜗牙对电机噪声的影响

对于带有蜗轮蜗杆减速机构的电机而言，在电机的轴上带有蜗牙，蜗牙的参数将对蜗轮蜗杆的啮合噪声生产重要影响，蜗轮蜗杆中的侧隙、顶隙、齿面粗糙度等都是影响蜗轮蜗杆啮合噪声的重要因素。

4.3 轴的表面粗糙度与圆度对噪声的影响

由于电机转子的高速运转，所以，轴的表面的粗糙度和圆度越高越有利于噪声的降低。

5、轴承

5.1 轴承的类型对电机噪声的影响

目前，应用于电机的轴承种类很多，有滚动轴承、含油轴承、塑料轴承等，同一种类的轴承又有不同系列和形式。轴承对噪声的影响不能一概而论，因为，同一种类的轴承中噪声也会有较大的差异。如果从大方面来说，塑料轴承的噪声会好于含油轴承，含油轴承的噪声会于滚动轴承。到底选择什么类型的轴承，要根据成本、用途、寿命等因素来确定。

5.2 轴承的精度对噪声的影响

轴承的精度越高，噪声会越低。对于含油轴承和塑料轴承而言，由于轴承与轴之间有相对滑动，所以，轴承内孔面的粗糙度越高越有利于噪声控制，轴与轴承内孔的间隙越小越有利于降低噪声。对于滚动轴承而言，轴承装配之前应加以清洗和消磁处理，同时注入适量并且与型号匹配的润滑脂，并注意做好防尘工作。轴承与电机轴装配时最好使用加热法，并且采用过盈配合，要尽可能地防止划痕的出现。

5.3 轴承的硬度、刚度和耐磨度对电机噪声的影响

轴承的硬度越低，刚度和耐磨度越高越有利于降低电机的噪声。

5.4 轴承内径

轴承内径越大，振动越剧烈，噪音也越大，有研究表明，轴承直径每增加5mm，就会使噪声增大1~2dB(A)。但轴承内径的大小受制于轴的直径大小，在设计条件允许的情况下应尽量减小轴的直径。

5.5 滚动轴承滚珠与保持架之间的间隙对噪声的影响

对于滚动轴承而言，轴承滚珠与保持架之间的间隙大小也是影响噪声的重要因素，间隙较大时保持架的振动比较明显，噪声也比较大，但间隙过小又会使滚珠卡死，也会加剧振动和噪声。所以，一定要根据电机用途选择适当型号的轴承，从而使轴承滚珠与保持架之间的间隙符合电机用途要求。

5.6 轴向推力大小对噪声的影响

对于使用滚动轴承的电机而言，轴向推力过大会加大轴承摩擦力，使轴承温度上升并引发机械损耗。推力过小则会造成轴向窜动的失控，进而引发噪声。在电机设计时，通常给一侧的轴承室增加一个波形垫圈，借助波形垫圈弹力与轴向空隙来调整推力的大小，从而减少电机的轴向串动噪声和摩擦噪声。

5.7 轴与轴承间径向间隙对噪声的影响

对于含油轴承和塑料轴承而言，轴承的径向间隙同样是引发噪声的重要因素，径向间隙过小或过大都会使电机在运转产生噪声。根据反复试验，轴承与轴承室孔的装配间隙在0.012~0.02mm之间最为合适，此时不会引发无间隙运行的问题，可以使噪声大幅减少。

6、结束语

以上所列零件是对电机机械噪声产生重要的零件，其它零件如：机壳、端盖、绕线、磁瓦等也会对电机的机械噪声产生少许的影响，由于对电机的机械噪声的影响不那么直接与明显，所以，本文不进行详细的论述。

[1] 叶未灯.有关永磁直流微型电机的噪声分析和抑制[J].中国科技博览,2015(42).

[2] 陈治宇,黄开胜,陈风凯,田燕飞,何建源.基于TB6556 FG的降低无刷直流电机噪声的设计[J].电机与控制应用,2014(2).

[3] 李昕.直流电机噪声分析及降噪的工艺措施直流电机噪声分析及降噪的工艺措施[J].船电技术,2012(7).

[4] 王鹏.直流电机噪声产生原因与设计抑制方法[J].中国科技投资,2013(A29).

[5] 刘检荣.直流电机噪声的产生原因与抑制方法[J].电子世界,2013(16).

Noise reduction Design and analysis of automobile permanent magnet DC motor

Xu Jun
( Shanghai industrial traffic electric appliance Co. Ltd., Shanghai 200030 )

The requirement of noise in vehicle become more and more critical, because perceived quality become more important factor for vehicle buyer. As a typical actuator for most electrical component (sunroof, window regulator, seats, etc.), noise performance of motor is a direct impact for vehicle sound quality. For improving vehicle noise performance, this paper list and analysis the design of each parts relate to running noise in detail, then provide effective solution in part design. The conclusion can be used as guidance for design engineer and quality engineer.

Noise; dB(A); Commutator; Bearing; Spring

U462.1

A

1671-7988(2016)07-156-03

许军，就职于上海实业交通电器有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.049