篇一：改善直流无刷电机电磁噪音的驱动方式
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改善直流无刷电机电磁噪音的驱动方式 作者：欧海飞
来源：《山东工业技术》2014年第01期
【摘 要】全球倡导“低碳环保生活”，因此高效节能的直流无刷电机的应用就越来越广泛。如何降低直流无刷电机的噪音、振动，提高产品的舒适度，是各大电机制造商对直流无刷电机研究的主要课题之一。本文主要叙述了直流无刷电机噪音、振动产生的原因以及传统解决的方法。同时提出了通过改良传统的直流无刷电机驱动方式，消除电机驱动在换相过程中所产生的负电流，避免负电流引起的转子径向电磁力脉动而引起的噪音以及振动。
【关键词】直流无刷电机；噪音；振动；消除负电流；电机驱动
1 降低电机电磁噪音的意义
噪声直接影响人体的健康，若人们长时间在较强的噪声环境中，会觉得痛苦、难受，甚至使人的耳朵受损，听力下降，甚至死亡。噪声是现代社会污染环境的三大公害之一。为了保障人们的身体健康，国际标准化组织（ISO）规定了人们容许噪声的标准。我国对各类电器的噪声也作出了相应的限制标准。电机是产生噪声的声源之一，电机在家用电器、汽车、办公室用器具以及工农医等行业广泛地应用着，与人民的生活密切相关。因此，尽量降低电机的噪音，生产低噪音的电机，给人们创造一个舒适、安静的生活环境是每个设计者与生产者的职责。2 直流无刷电机噪音形成的原因分析以及传统解决方法
引起直流无刷电动机振动和噪声的原因很多，大致可归结为机械噪音和电磁噪音。
2.1 机械噪音的成因以及解决措施
2.1.1 直流无刷电机的机械噪音产生的原因
（1）轴承噪声。由于轴承与轴承室尺寸配合不适当，随电机转子一起转动产生噪音。滚珠的不圆或内部混合杂物，而引起它们间互相碰撞产生振动与噪声。轴承的预压力取值不当，导致滚道面有微振也会产生噪音。
（2）因转子不平衡而产生的噪声。
（3）装配偏心而引起的噪声。
2.1.2 降低机械噪声应采取下列方法
（1）一般应采用密封轴承，防止杂物进入。
篇二：无刷电机电磁噪音振动的最主要原因分析和有效解决途径
这个板块中关于噪音的问题非常多。在此我总结了1下，只从最常见发生机率最大也是刚刚开始做无刷最容易忽视的情况做1个分析和有效解决方案，我看好多的噪音求助就属于我下面要说的噪音种类了。先说这种情况下的原因，解决方案相信大家看完了就应该知道怎么做了。
所有的电动机均呈现某种形式的齿槽效应。
齿槽效应越低电动机转动越平稳。
在电动机和电动机的铁芯结构中的磁体所产生的非均匀磁场形成了齿槽效应：当转子中的磁体切割定子齿时产生磁力。当磁力从1个齿转到另外1个齿时，磁力帮助或阻止转动，使转子有规律的加速或者减速。不均匀的磁拉力产生的齿槽效应。电动机转动不平稳会引起速度脉动和转矩脉动、效率损耗、振动和噪音。速度脉动是指全过程内的速度变化或者速度波动；而转矩脉动则描述了全过程内的转矩变化，槽中绕铜导线将增加这一效果。而从1个齿到另外1个齿的不平衡拉力也在转子中产生了径向偏差，根据这一个产生的齿槽效应的强弱，相应幅度的电磁振动和电磁噪音将随之出现。这种情况在无刷电机中表现最为明显。根据这个基础在保证满足基本性能要求情况下，调整相关参数或气隙或磁钢磁场强度或者其他，只要是减弱齿槽效应的就可以，相对来说已经做好的电机调气隙是最方便的，直接降低了气隙磁密，这样可以解决或者削弱90%（这里不是说噪音的幅度是说电磁噪音的种类）以上的电磁噪音，只不过需要牺牲其他方面的性能。具体调整矛盾的程度自己把握控制。
至于为什么，因为不管是电枢结构或者是电磁参数不当或者材料共振频率或者其他原因所形成的电磁振动噪音最终要表现于外时，必须得通过1个途径，那就是气隙。控制了气隙也就可以直接影响电磁振动。这里要说明一下电磁振动是电磁噪音的声源，他们本为1体，只不过因为其他相关原因表现出来的幅度不同而已。 这里我有点疑惑，这个相对于做过成熟的无刷设计者来说应该是众所周知了的问题吧？为什么没人把它明白的说出来，这个论坛上我没见到人说，只看见到处的噪音求助和讨论。
强磁无刷哦，比如我拿个例子来说，我以前做了个2.2kw的永磁无刷，磁钢是4mm厚，气隙1.0,做出来的电机那个电磁噪音无法抑制，什么加厚磁轭，什么控制机座的共振频率，什么改齿宽1系列减弱电机因齿槽效应的的方法来改都不行，照样噪音，后来把通过把转子外径车小了，1步1步的做到了1.6气隙才噪音才变没了，好了，这个时候的电机性能拿去和以前的1.0气隙的性能比却没降多少哦，知道为什么没？呵呵，原来是4mm的磁钢太厚了，材料过剩浪费了，就是说设计方案好多都存在输出过剩，设计出来后电机性能比设计的性能高的多哦，所以减了后并不降低多少的，这个样机我后来用了2.5mm的磁钢，气隙1.7mm，绕组稍微补偿了点，结果是性能ok，空载电流才0.14A（原来的空载电流是现在的10倍)负载电流也比原来的低，振动噪音全过。
重申：在这个论坛上叫喊噪音的做无刷电机的估计都是把气隙磁密取的过高来设计电机的，而在强磁电机设计中要想取合适的电机磁密，就只能加大气隙来适应，所以在有些时候能用粘接磁的地方就别用烧结磁了，浪费了。硬要用烧结磁的话就只要加大气隙，不然产生的振动噪音就n难搞定。
当然有相关特殊要求的的电机不在此列。
小无刷电机或者其他常规电机的情况和大无刷电机的不一样的
电机由于在加工过程中所带来的误差造成感应电动势的不完全对称、永磁材料的不一致、电
源容量的限制、磁极极弧系数的限制、定子换向过程的影响、工作过程中电机参数的变化等，都会带来转矩的波动。
无刷直流电机转矩脉动根据产生原因的不同可分为非理想反电势波形引起转矩脉动、齿槽转矩脉动、换相转矩脉动等。
1、非理想反电势波形引起转矩脉动：谐波转矩脉动产生的原因由于无刷直流电机反电势不是理想的梯形波，而控制系统仍是按理想的梯形波反电势给电机电枢绕组提供方波电流。此类转矩脉动解决的办法有两个，一种解决方法是事先通过预测反电动势，采用合适的控制方法寻找最佳的电流波形来消除转矩脉动。这种最佳电
流法能消除非理想反电势引起的转矩脉动，但事先要对反电势进行实时跟踪，且根据测得的反电势快速计算最优电流也不易，可行性不是很好，不能从根本上解决问题。另一种方法是通过对电机本体定子绕组、气隙齿槽的优化设计，使无刷电机的反电势趋向于理想的反电势波形，从而达到减少电机转矩脉动的目的。
2、齿槽转矩脉动
齿槽转矩脉动是由于定子铁心槽齿的存在，使得永磁体与对应的电枢表面的气隙磁导不均匀，当转子旋转时，在一个磁状态内，磁路磁阻发生变化从而引起的转矩脉动。齿槽转矩脉动与定子电流无关，是电机本身构造所存在的缺陷。当转矩频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩脉动和噪声将被放大，影响电机在速度控制系统中的低速性能，和位置控制系统中的高精度定位。
抑制由齿槽引起的转矩脉动的方法主要集中于优化电机设计上，主要包括:斜槽法、分数槽法、磁性槽楔法、闭口槽法和无齿槽绕组法等。
3、换相转矩脉动
换相转矩脉动是方波型无刷直流电机特有的问题。它是由于电机电枢绕组相电感的延时作用，从而在电机换相时所产生的转矩脉动。换相转矩脉动的抑制主要有以下四种方法: 重叠换相法
滞环电流法
PWM斩波法
电流预测控制
2 相数选择
无刷直流永磁电动机和永磁同步电动机相似，电枢放置多相绕组，多相绕组由功率电子元件的开关电路供电，不受工频电源限制，电枢绕组相数可在较大范围内选择。绕组的相数可选二、三、四、五……直至十五相，但用得最多的是三相及四相，五相以上的相数用得较少。
绕组相数选择应该考虑到：绕组的利用程度、电子开关电路的复杂程度及成本、转矩脉动及电子元件应力等，根据不同的使用条件来综合决定相数。
2．1 绕组利用程度
在有刷直流电动机运行的任何时刻绕组里所有导体都通电，除换向元件外，都产生转矩。而在无刷直流电动机运行时绕组是依次一相一相通电（或几相通电）产生转矩，从这个角度看，相数越多，绕组利用程度越低。文献［2］给出两台三相及四相单极型无刷直流电机对比，两台电机具有相同的尺寸、电压、控制电路布局及铁耗，四相电机转矩密度大9％，用铜量增加36％。
2．2 电子线路复杂程度及成本
相数增加，所用开关元件数增加，电路复杂，成本也增高。
2．3 转矩脉动
无刷直流电动机转矩脉动比有刷电机大。相数越多，转矩脉动就越小，研究和实验表明相近的奇数相比偶数相转矩脉动小。
2．4 电子元件的应力
在保证不同相数有相同的出力及电压的前提下，随相数增加，每相电流减少，因而元件的电应力减少。
3 极数选择
无刷直流电动机的磁极对数p与电机转速n之间不象永磁同步电动机有着如式（1）的严格对应关系
(1)
式中:f—同步电动机供电频率。
但无刷直流电机转速与极对数（通过反电势）有一定的约束关系，以三相星形桥式六状态电路为例，理想空载转速n0
(2)
式中：u—电源电压；
ΔuT—电子开关电路管压降；
W1—相绕组匝数；
Kdp—绕组系数；
Φδ0—气隙磁通。
在电机主要尺寸确定，选择极对数时，应综合考虑运行性能和经济指标，参照直流电机极对数选择方法作几个方案比较，而不是一个唯一定数。
3．1 极对数与材料利用率
若气隙磁密及电枢直径不变，2pΦδ实际不变。随着极数增加，每极磁通减少，使得电枢轭及定子轭部减少，用铜用铁量减少，所以外转子低速运转无刷电机多数选取极数较多。
3．2极对数与电机效率
随着极对数增加，铁芯磁场交变频率增高，铁耗增加，电子器件换向损耗增加。虽然电枢电流密度不变时，铜耗略有降低，电动机的效率还是随着极对数的增加而降低。
3．3 极对数与电感
极对数增多，电枢每相电感减少，对换相有利。
4 槽数选择
4．1 整数槽绕组
有些资料认为无刷直流电机的槽数应为相数和极对数的整数倍，这是针对微型无刷直流电动机往往采用整距集中绕组而言。例如二对极三相时槽数应为12。为了构成多相对称绕组，槽数必须是相数的整数倍，但不一定是极数的整数倍。随着功率增大或外转子应用，为了改善电机性能，电枢绕组也可以采用分数绕组，
z＝2pmq (3）
式中：q—每极每相槽数，可以为整数，也可以为分数。
4．2 分数槽绕组
分数槽绕组的无刷直流电动机，电枢槽数不仅可以不是极数的整数倍，而且槽数可以少于磁极数，只要满足绕组对称条件就能保证各相产生的转矩对称。常见的分数槽绕组q为一个假分数
(4)
式中，b为整数，c/d为一不可约的真分数，该种绕组的对称条件及排列方法［3］已介绍。当z＜2p，q为真分数，是否能够组成对称绕组，对称条件又是如何?仔细分析交流绕组的对称条件对q为真分数时依然适用。可以简洁表述为
(5)
式中：d与c为无公约数，当d不是m或m的倍数，如果各相绕组彼此位移2c(d为奇数）或c个槽距（d为偶数），则该绕组必定是对称的。
例1：电动自行车用外转子三相无刷直流电机，其定子（电枢）36槽，转子用钕铁硼磁钢，20对极。
则
即d＝10,c=3，每相绕组彼此位移3个槽，符合对称条件。三相绕组排列分配如下：
A12*31011*12 相1920*212829*30 B78*91314*15 相2526*273435*36 C45*61617*18 相2223*243132*33
（注：代表槽内绕组要反接）
例2:洗衣机洗涤及脱水用无刷直流电动机，定子（电枢）45槽，外转子用铁氧体磁钢，30对极。
则
即d=4,c=1，每相绕组位移一个槽，符合对称条件，三相绕组排列分配如下：
A1471013161922 相25283134374043 B3691215182124 相27303336394245 C2581114172023 相26293235384144
5 绕组的连接
三相及多相无刷直流电动机电枢绕组连接方法主要有星形和多边形连接。下图表示由桥形电路供电五相永磁无刷电机电枢绕组连接图。
其中：SA……SE及 表示由晶体管组组成开关电路，WA……WE表示电枢绕组。图中实线表示星形联接，五相绕组有一个星形中点O。五相绕组按虚线联接则构成多边形联接。 五相永磁无刷电机电枢绕组连接图
多相绕组联接成星形可以有一个中点或多个中点。例如一个六相绕组，可以将A、B、
C、D、E、F各绕组联接一个中点，也可以把A、C、E三相联接成一个中点，再把B、D、F三相联接成另一个中点。接成多边形也可以有不同的联接次序，例如上述五相电枢绕组可以一次联接，按A-B-C-D-E-A顺序接成五边形，也可分两次联接，按A-C-E-B-D-A顺序接成五角星形。
不同的联接方式，同一种联接方式中点数目不同或联接次序不同，采用适当的通电方式，对电机主要性能没有太大影响，但影响电子开关线路的参数，影响电枢磁势中谐波含量，影响转矩脉动。
6 结 语
本文分析了无刷直流电动机设计时，对相数、极数、槽数及绕组联接选择应考虑的问题，在遵从一定的基本原则基础上，可以有较多方案选择，明确这些问题对没有成熟设计经验或特殊要求的永磁无刷直流电动机的设计将有所裨益。
篇三：电机噪音分析
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1 引言
噪声是由物体的振动产生的，再通过空气或其它弹性介质才能传播到人的耳朵。它由很多杂乱无章的单调声音混合而成。其中20Hz～20000Hz是人们耳朵可以听到的频率。低于20Hz的波叫次声波，高于20000Hz的波叫超声波。
噪声直接影响人们的身体健康，太强或长时间噪声，会使人十分痛苦、难受，甚至使人耳聋或死亡。噪声是现代社会污染环境的三大公害之一。为了保障人民的身体健康，国际标准化组织（ISO）规定了人们容许噪声的标准，如表1。
表 1
每天最长工作时间（h） 8 4 2 -
噪声dB(A)85 9396115(最大）
电机是产生噪声的声源之一，电机又在家庭、商业、办公室以及工农医等行业广泛而大量地应用着，与人民的生活密切相关。随着社会的进步，人们对污染环境的噪声提出了越来越高的要求与限制，尤其对与人们密切接触的家用电器更是如此。这方面，先进国家尤其重视。我国政府历来重视人民的健康，对限制噪声不遗余力。表2是我国产品标准规定的部分家用电器的噪声限值。
表2 我国部分家用电器的噪声限值 dB(A）
电冰箱（250升以下） 洗衣机 吸油烟机 电磁灶 吸尘器 洗衣机 镇流器 空调器（2500W、分体式）
52 75 75 508472 35 45
因此，尽量降低电机的噪声，生产低噪声的电机，给人们创造一个舒适、安静的环境是每个设计者与生产者的职责。
2 电机噪声的分类
根据电机噪声产生的不同方式,大致可把其噪声分为三大类:
①电磁噪声；②机械噪声；③空气动力噪声。
3 电磁噪声
电磁噪声主要是由气隙磁场作用于定子铁芯的径向分量所产生的。它通过磁轭向外传播，使定子铁芯产生振动变形。其次是气隙磁场的切向分量，它与电磁转矩相反，使铁芯齿局部变形振动。当径向电磁力波与定子的固有频率接近时，就会引起共振，使振动与噪声大大增强，甚至危及电机的安全。
根据麦克斯韦定律，气隙磁场中单位面积的径向电磁力按下式计算：
式中：B——气隙磁密
θ——机械角位移
μ0——真空磁导率
由于定、转子绕组中存在着主波磁势与各次谐波磁势，它们相互作用可以产生一系列的力波。
3.1 主波磁场产生的力波
主波磁场B1所产生的径向力波为：Pr1=P0+P1，式中，是径向力的不变部分，它均匀作用于圆周上，使定子铁芯受到压缩应力。不变部分不会产生振动与噪声。P1=P0cos(2pθ-2ω1t-2θ0)，其中p主波的极对数，ω1—主波的角速度，θ0—初相角。P1是径向力波的交变部分，这个力波的角频率是2ω1，即2倍的电源频率，它使定、转子产生2倍电源频率的振动与噪声。它的强度与气隙磁密的平方成正比。这在两极的大容量电机中，容易产
生较大的影响，而在一般情况下，由于它的频率较低，其影响不显著。
3.2 谐波磁场产生的力波
谐波磁场产生的力波所引起的振动与噪声，一方面与该力波的幅值大小有关，也与力波的次数有关。在大多数情况下，次数小于10的影响较大，高次数的力波一般不考虑。所以一定要选择合适的定转子槽配合，以避免产生较低次的力波。若Z1和Z2分别代表定、转子槽数，则要求：Z1-Z2≠(0或2p),Z1-Z2≠(±1或2p±1)，Z1-Z2≠(±2或2p±2),Z1-Z2≠(±3或2p±3)。
3.3 由一阶齿谐波所产生的力波
由于定子或转子上齿槽的影响，磁导将产生周期性变化，而引起气隙磁密的大小周期性变化，而产生了齿谐波。这齿谐波所引起的振动与噪声可采用斜槽的方法，将其削弱。一般情况下，转子斜一个定子槽距时，其齿谐波所产生的径向力要比直槽时小得多。
3.4 单边磁拉力所产生的力波
由于定、转子的偏心，或磁路的不对称，将引起磁通分配的不对称，而出现一边受力大、一边受力小的现象，也就产生了单边磁拉力。它随着转速而周期性地变化。
当其中极对数为p±1的附加磁场与主波磁场相互作用时，所产生的力波次数为±1，这样低的力波很可能引起振动与噪声。因此，我们在设计或加工时，定、转子圆度一定要达要求，磁路一定要对称、均匀。在电机装配中，应校验定、转子的同轴度，使之在精度要求范围内。
3.5 降低电磁噪声的方法
综上所述产生电磁噪声的成因，我们可采用下列方法降低电磁噪声。
⑴尽量采用正弦绕组，减少谐波成份；
⑵选择适当的气隙磁密，不应太高，但过低又会影响材料的利用率；
⑶选择合适的槽配合，避免出现低次力波；
⑷采用转子斜槽，斜一个定子槽距；
⑸定、转子磁路对称均匀，迭压紧密；
⑹定、转子加工与装配，应注意它们的圆度与同轴度；
⑺注意避开它们的共振频率。
4 机械噪声
机械噪声包括轴承噪声、因转子不平衡而产生的噪声及装配偏心而引起的噪声。另外，直流电机和串励交流电机中的碳刷也会产生振动而引起噪声。在很多情况下，机械噪声往往成为电机噪声的主角。
4.1 轴承噪声的产生与控制
由于轴承随电机转子一起旋转，因滚珠、内圈、外圈表面的不光滑，它们之间有间隙，滚珠的不圆或内部混合杂物，而引起它们间互相碰撞产生振动与噪声。
其产生的噪声值与滚珠、内外圈沟槽的尺寸精度、表面粗糙度及形位公差等有很大关系。有人认为，只要采用精密轴承就可以降低轴承噪声，殊不知使用后，反而使噪声增加。原因是轴与轴承内圈的配合过紧，使精密轴承的内圈变形大于普通轴承的变形量，因而跳动、振动加大，噪声上升。所以轴承与轴承室、轴的配合也是非常重要的。
降低轴承噪声应采取下列方法：
⑴一般应采用密封轴承，防止杂物进入；
⑵轴承生产厂在轴承装配前，对滚珠、内圈、外圈的机加工一定要达到设计要求，在装配时，应有严格的退磁清选工序，洗去油污与铁屑。事实证明，清洗后的轴承比清洗前的轴承噪声一般降低3dB。润滑脂一定要清洁干净，绝不能含有任何铁屑、灰尘和杂质；
⑶轴承外圈与轴承室的配合、内圈与轴的配合，一般不宜太紧。轴承外圈与轴承室的配
合，其径向间隙宜在3～9μm的范围内；
⑷为消除转子的轴向间隙，必须对轴承施加适当的压力。一般选用波形弹簧垫圈或三点式弹性垫圈，且以放在轴伸端为宜；
⑸对于噪声要求特别的电机，宜选用低噪声轴承。当负载不太大时，可采用含油滑动轴承，它比同尺寸的滚动轴承的噪声有时可低10dB左右；
4.2 转子机械不平衡产生的噪声与控制
如果一个电机转子（包括上面的绕组）的质量分布是均匀的，制造与安装时的圆度和同心度是合格的，则运转平稳，它对轴承或支架的压力只有静压力，即转子本身的重量。如果转子的质量分布是不均匀的，则转子是不平衡的转子，它转动时就会产生附加的离心力，轴承或支架就会受到周期性附加离心力的作用，通过轴承或支架传到外壳，引起振动，产生噪声。当不平稳量过大或转速过高，将使电机无法正常工作，甚至损坏或飞逸，后果十分严重。电机中冷却风扇的不平衡同样也会产生较大的噪声。
转子的平衡有二种：静平衡与动平衡。
静平衡的转子不一定动平衡，但动平衡的转子一定会静平衡。所以转子仅校静平衡是不够的，对于速度较高的转子必须校动平衡。目前常用两种方法使之平衡：去重法与加重法。去重法效率较高，但对铁芯会造成一定损伤，特别是在不平衡量较大时，就不宜采用此法。加重法的加工效率不高，但比较灵活，且不损伤转子铁芯。不平衡的风扇同样需要校动平衡。
4.3 碳刷装置噪声的产生与控制
碳刷装置的噪声是由碳刷位置安装不良或碳刷与刷架的配合不当或碳刷压力不适合及换向器表面有毛刺或圆度不够等多方面的原因所产生的。
当电机为25～50W，转速为3500～5000r/min，并使用常规换向器与碳刷时的最佳值是：倾斜角α为0°，伸出长度l1为2～4mm，碳刷与刷架之间的间隙为0.2mm。
《改善直流无刷电机电磁噪音的驱动方式》出自：百味书屋
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