【摘要】简述了电机噪声的作为电机技术指标的重要和电机噪声的研究发展历程，分析了直流电机噪声产生的成因，对这些噪声进行了分类，分析并总结了直流电机的电磁噪声、机械噪声、空气动力噪声的产生原因和机理，提出了在电机设计、制造和应用中降低和抑制直流电机噪声的方法，这些方法可以有效地在电机研发和制造中实际应用和借监。
【关键词】电机；电机噪声；噪声抑制
1.引言
研发、创新能力的高低已成为世界各国最核心的竞争力之一，随着国家创新驱动战略的实施，国内电机生产企业逐步注重电机新产品研究与开发，在电机新产品的研发及实际应用方面，电机噪声是一项极其重要的硬性指标。从环保角度看，低噪声、无电气干扰电机将成为“绿色电机”的基本指标。从市场角度看，电机噪声高低已成为客户对电机的品质、技术和价值高低做判别的重要依据。
在电机噪声的研究方面，早在上世纪40年开始即有学者开始对电机噪声进行零星研究；70年代，学术界提出了“在单自由度振动理论基础上建立的噪声理论”，在工程实际应用中，该理论对电机噪声的控制指导方面有一定的适应性，也存在不完全准确的情况，但该理论对电机噪声的基础研究起到了奠定性的作用；90年代，学术界提出“电机电气噪声的二维理论”，这一理论是建立在电机电气噪声离散成分与电机参数的关系研究上，通过研究并发现了电机模态振动与电气噪声的数理关系，总结出了控制电气噪声的二维机电类比理论，对传统电机噪声理论进行了有效的拓展和延伸。
对直流电机而言，由于有换向器和电刷的存在，电机噪声的产生相比其它类型的电机更加复杂，电机噪声的抑制更是直流电机设计和生产制造的难点和重点。为了对电机噪声进行分析和研究，我们根据直流电机噪声产生的成因归列为三类：分别为电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声。
2.电机噪声产生的原因
2.1 电磁噪声
2.1.1 电机磁场产生的电磁噪声
在磁场的作用下，直流电机完成电磁能和机械能的转换。磁场中含有主磁通和漏磁通，主磁通是由N极经过气隙到转子再由另一个气隙返回S极，是直流电机起有效作用的磁通，它能在旋转的电枢绕组中产生感应电动势，并和电枢绕组的磁动势相互作应产生电磁力矩。漏磁通不经过转子，只增加磁极和定子磁轭的饱和程度。主磁路中的气隙磁路所消耗的磁动势最大，电机空载时，它反比于主磁路的总磁阻，正比于主极励磁的磁动势。
直流电机主磁通中的气隙磁通对电机噪声产生影响，漏磁通对电机噪声不产生影响。气隙磁通分布（如图1所示），图中B为最大磁通密度，是电枢表面上一个极距的长度，是气隙长度。如果将气隙磁场的磁通进行矢量分解，分解为径向矢量和切向矢量，那么，气隙磁场的径向矢量将使定子产生振动噪音，气隙磁场的切向矢量将使转子产生振动噪音。由于电机定子存在固有频率，当气隙磁场产生的径向电磁力波与电机定子的固有频率相等时，就会由于物理共振现象用起电机噪声。
直流电机的主磁路可以细分为气隙磁路段、磁极极身磁路段、转子齿磁路段、转子铁轭磁路段、定子铁额磁路段。电机工作时，各磁路段中的磁动势以及电机电枢绕组、定子绕组的磁动势相互叠加和影响，会产生主波和一系列的低、高次谐波，进一步，主波磁势与各次谐波磁势相互作用的结果是导致一系列的力波产生。力波会导致电机噪音的产生。其中，主波磁场产生的力波对定、转子产生的噪音一般为电源频率的二倍频，谐波磁场产生的力波对定、转子产生的噪音受制于力波的幅值大小与力波的次数。通常，次数小于10的力波对噪音有比较大的影响。
2.1.2 电机换向产生的电气噪声
直流电机工作时，换向器和电刷的配合，会使电枢绕组中的电流方向按照一定的规律循序改变。直流电机换向不好时，会使电刷和换向器之间产生火花，这种火花会产生电气噪声，并严重影响电刷和换向器的寿命，对于大功率直流电机，会对无线电通讯产生干扰，对于几瓦或小于1瓦的微特直流电机，会对使用电机的总机电器设备产生电磁干扰。
电机的换向过程中，如果将电枢绕组的换向元件、换向片、电刷所链的磁通发生变化在电枢绕组的换向元件中所感应的总电动势称为∑，那么，当∑达到一定程度时，电刷离开前一个换向片的瞬间，要拉断一个电流ikb或ikd，（如图2所示）。此时，在电刷片上要释放的电磁能量为，Lr为换向元件的等效漏电感，Ik为换向电流，当这个能量足够大时，就一定会产生火花和电气噪声。
电机加速运行时，电刷前端端电流的密度增加，又因为每次换向开始时，电刷与换向片接触的接触点数量是由少变多的，当接触点为数不多时，电刷与换向片的电压降过大，从而使电刷前段由于电流密度的聚集发热而产生火花及电气噪声.
电机的换向器如果研磨状态不好，表面粗糙；电刷片的角度不好或者刷片压力过松或过紧；换向片的结缘本体毛刺突出甚至个别换向片单体突出，都会影响火花及电气噪声的产生。
2.2 机械噪声
机械噪声的产生主要有电机定子部分产生的噪声，电机转子部分产生的噪声。
2.2.1 电机定子噪声
电机定子产生的噪声源主要集中在电机的轴承，我国国内生产的电机，大功率的电机一般使用滚珠轴承，微型电机由于负载轻小，大都使用铜基或铁基烧结的含油轴承，高寿命要求的电机使用液体动压轴承。
电机工作时滚珠轴承随电机转子做同步旋转，如果滚珠、内圈、外圈表面的表面粗糙度大，那么三者间会有微小间隙，滚珠的圆度不好或内部混存异物，都有可能导致互相间碰撞产生振动与噪声。
铜基或铁基烧结的含油轴承没有滚珠，由于其在出厂时一般都经过了油浸处理工艺，电机工作时产生的噪声较小。但含油轴承脱油工艺使油脱得太干，或者电机工作后轴承油干涸，那么，电机噪声会明显增大，如果轴承内径真圆度不好，或者轴承内壁有伤痕，电机噪声也会明显增大
液体动压轴承是利用液体润滑剂动压力形成的液体薄膜隔开两摩擦表面并承受载荷的滑动类型轴承。其中，单油锲动压轴承在高速度轻载荷时偏心率小，有失稳现象，会有油膜震荡的产生而导致电机的噪声。多油锲动压轴承比较容易采用新型结构使消振能力提高。
2.2.2 电机转子噪声
电机转子的加工和尺寸精度，转子铁芯的圆度，转子的几何中心线与质量中心线重合与否，转子与定子的同心度，都影响转子的静平衡与动平衡。静平衡与动平衡不良的转子都是电机噪声产生的最直接原因之一。
转子的轴如果出现轻微轴曲状态，或者轴与轴承的接触位置有伤痕，或者转子的轴向轴隙太大或者转子轴与轴承配合的间隙太大都会产生电机的机械噪声。
2.3 空气动力噪声
空气动力噪声是由空气流在空间移动过程中分子间相互碰撞作用或空气流碰撞固态介质而产生的噪声。
电机产生的空气动力噪声，主要是由于电机转子的高速旋转而带动电机机身内空气做涡流运动而产生的旋转脉动噪声，声源具有指向性，辐射声功率与电机转子带动的气流速度的六次方成正比。
另外，电机工作机身温度升高时，电机机身外的空气会流入电机机身内，由于流入空气质量或受热量的不均匀，会产生脉动噪声，这种噪声声源的辐射没有指向特性，声辐射功率与气流速度的四次方成正比。
电机中空气动力噪声的大小还与转子的几何形状、转子的表面粗糙度、转子偏心量以及电机的工作速度有关系。
3.电机噪声抑制和降低的方法
3.1 电气噪声抑制和降低
降低电气噪声在电机设计时即要重点考量。电枢绕组设计时，在满足电机额定电压和额定电流的情况下，尽量设计少产生谐波成份的绕组方式；槽极配合、齿槽配合合理，可以有效抑制甚至避免力波产生；无论是永磁励磁还是线圈励磁方式，磁路设计要合理，着磁、励磁要均匀。
对于低功率的直流电机，可以在换向器端子上联接氧化锌或者钛酸锶压敏消弧电阻，以达到吸收浪涌谐波的作用。另外，还可以在电机定子外圆圈套无取向异性的金属屏蔽套，抑制和降低电机对整机电气设备的干扰。
3.2 机械噪声抑制和降低
机械噪声的抑制和降低首先要确保零件加工的尺寸和精度以及装配工艺的合理性。电机的定子轴承在装配时应注意压轴承的内圈装入轴中，且严禁用工具直接敲击轴承，必要时需要使用热套法.
转子的动平衡要采用减重法或加重法，确保转子的静、动平衡符合要求。
对于微型直流电机，还可以采用零轴隙的工艺技术和轴承缩孔技术，必要时还应采用单轴承技术降低机械噪声。
3.3 空气噪声抑制和降低
转子表面要尽量光滑，如采用积层铁芯的转子在铆接后要平整，转子要确保静、动平衡合符技术要求，以降低电机运行时的空气噪声。
另外，气流的风道不可陡变，电机外接负载联结可以采用滚花直纹工艺，电机机身的工艺孔可以采用吸音闷塞做隔离。
4.结论
直流电机的噪声主要是由于电磁影响、机械摩擦、空气旋流或涌入而产生的，抑制由于电磁影响产生的噪声重在设计时电枢绕组、极齿、齿槽和励磁磁场分布的合理性，抑制由于机械摩擦产生的噪声重在电机动静平衡和摩擦接触面的尺寸和形位公差的合理性，抑制由于空气旋流或涌入产生的噪声重在流导风阻的合理性。
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作者简介：刘检荣（1973-），男，大学本科，工程师，现供职于厦门达真电机有限公司，研究方向：电机设计与控制。