图1 直流无刷电机结构示意图
应用频谱特性分析和测试实现直流无刷电机降噪优化
李峰1，张吉健2
（1. 中车株洲电机有限公司，湖南株洲 412000；2. 懿朵信息科技（上海）有限公司，上海 201108）
摘 要： 某直流无刷电机在实际应用中噪音过大且存在异音。分别在带轴流风叶和不带轴流风叶情况下，对电机的驱动风机进行噪音频谱特性测试和振动加速度阶次跟踪测试，发现噪音源于轴承室处900 r/min转速时370 Hz频率下的共振模态。根据ANSYS Mechanical结构模态分析结果，提出降噪优化策略：将后机壳壁厚由1.8 mm增加至2.3 mm，将轴流风叶材料由聚丙烯替换为聚甲醛。进行频谱特性测试验证，表明整机噪音声压级由29.6 dB降低至24.41 dB，且异音消除。
关键词： 直流无刷电机；降噪；频谱特性分析；ANSYS Mechanical；结构模态仿真；声压级中图分类号：O422.8 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2019) 02-106-04工业技术创新 URL : http: // DOI : 10.14103/j.issn.2095-8412.2019.02.020
引言
噪音污染与水污染、大气污染并称为三大环境污染。噪音的主要来源是施工过程、机电设备和电器仪表等。噪音控制水平是衡量电器产品设计能力的核心尺度之一，直接决定了产品的性能和市场口碑。在作业环境中，保持噪音低于一定水平，是职业健康环境管理的必然要求。
电机噪音由电磁噪音、结构噪音、流体动力学噪音共同组成[1]。解决电机噪音的最佳办法是确定噪音源，分析其频谱特性[2, 3]，以便采用针对性的解决方案。无刷直流电机具有效率高、寿命长且噪音低的特点[4]，在工业机电设备和家用电器中受到了越来越广泛的应用。然而，一款市场上在售直流无刷电机的噪音偏大且存在异音，用户对此反应强烈。
本文采用噪音频谱特性测试和有限元结构模态仿真等手段，分析噪音特性和频率分布，确定出该直流无刷电机的噪音异音源，以采取相应的设计改进，旨在达到降低噪音、消除异音的目的。
1 噪音分析与测试
1.1 噪音分析
如图1所示，该直流无刷电机为单相四槽四
极内转子结构，24 V直流电压供电，恒定转速为1 400 r/min。电机的驱动风机主要应用于室内空气微循环系统，其转子输出轴装配有轴流风叶，叶片数量为4个。在市场售后反馈中，用户反应驱动风
机噪音相对偏大，且在室内安静的办公环境中，能够听到类似金属撞击声的尖锐异音。
1.2 测试环境搭建
为了尽量减少外界噪音的干扰，以便准确测量驱动风机的噪音频谱特性，噪音测试在半消音室内进行，消音室的背景噪音为16 dB。如图2所示，采用橡皮条悬挂驱动风机至1 m高度，麦克风处于驱动风机正前方1 m位置[5]。为了降低气流对麦克风的影响，用风罩将麦克风罩住[6]。噪音测量设备采用B&K 公司的Pulse测量系统，数据采集及分析在带有Pulse 测量系统的便携式笔记本电脑上完成。
1.3 噪音频谱特性测试
为了评估驱动风机的轴流风叶对整机噪音的影响，在测试实验中，分别测量带轴流风叶和不带轴流风叶的噪音频谱。如图3所示，在不带轴流风叶时，280~2 000 Hz范围内的噪音基本消失，声压级从
李峰，等：应用频谱特性分析和测试实现直流无刷电机降噪优化
(a) 带轴流风叶
(a) 带轴流风叶
(b) 不带轴流风叶
图4 轴承室的振动加速度阶次跟踪曲线
磁化杯(b) 不带轴流风叶图3 噪音频谱特性
蓄电池模拟器图2 噪音测试示意图
试，如图4所示。两种情况下，轴承室处振动加速度均在900 r/min左右发生阶跃突变，这基本可以认作是电机本体在900 r/min附近发生结构共振的证据。转子振动加速度的突增，会引起轴流风叶发生微小的结构振动[8]，提高风叶的流体动力学噪音。结合图3a还可分析得知，在370 Hz附近存在的较大噪音峰值，可能与风叶结构刚度不足或者电机轴的轴向窜动相关。
29.6 dB降低至24.07 dB，这说明轴流风叶对整机高噪音的贡献较为明显。47~113 Hz范围内的噪音属于低频结构振动噪音，可能是由薄壁机壳刚度不足或者轴承振动引起的[7]。3 000~4 000 Hz范围内的噪音与
电磁谐振相关。
1.4 振动加速度阶次跟踪测试
为了进一步分析与轴流风叶相关的280~2 000 Hz 范围内的噪音组成，分别对带轴流风叶和不带轴流
风叶时电机轴承室处的振动加速度进行阶次跟踪测
2 优化改进
2.1 共振模态分析
采用ANSYS Mechanical软件，构建直流无刷电机的三维几何模型，进行有限元结构模态仿真计算。机壳、电机定转子冲片、线圈、永磁体和轴流风叶均视为各向同性材料，网格单元类型为solid186，单元形状为六面体，网格尺寸为2 mm，前后机壳之间的螺钉装配选择rigid单元。各零件材料的力学属性如表1所示。
机壳的结构模态图如图5所示。机壳在16 Hz附近存在共振模态，主要表现为靠近轴承室的后机壳薄壁发生振动，这与振动加速度阶次测试中轴承室在900 r/min左右发生的振动加速度阶跃突变是一致的。为了避免16 Hz共振模态对直流无刷风机的影响，将
2019年第02期
工业技术创新Industrial Technology Innovation 图7 结构优化后的噪音频谱特性
图5 机壳的结构模态图
图6 轴流风叶的结构模态图
表1 零件材料的力学属性
零件名称
机壳
定转子冲片线圈永磁体轴流风叶
材料牌号
聚甲醛4520
35WW600铜钕铁硼聚丙烯
材料密度/(kg/m 3)
智能水刀
106581541 4107 8008 8407 400500
离线语音识别方案
杨氏模量/MPa 2 600200 000113 000170 0001 130
泊松比0.340.30.320.270.38
后机壳的壁厚由原来的1.8 mm增加至2.3 mm，再次进行有限元结构模态计算，发现共振模态频率提高至37 Hz，这可以大幅提高机壳刚度，减小结构振动变形，有效降低结构振动噪音。
轴流风叶的结构模态图如图6所示。由于轴流风叶根部刚度不足，叶片在362.93 Hz处存在扭动变形共振模态，可以判定这与噪音频率测试中的370 Hz噪音峰值相关。由于叶片结构与叶片流体动力学性能相关[9]，故未对叶片结构进行设计变更，而是直接将叶片材料更换为聚甲醛。再次进行有限元结构模态计算，发现共振模态频率提高至1 174 Hz，这可以有效减少叶片的结构共振引起的宽频流体噪音[10]。
2.2 改进后测试与反馈
根据章节2.1的讨论，对后机壳进行壁厚增加的修模加工，并且更换轴流风叶材料为聚甲醛。整机装配后，在半消音室内再次进行无刷轴流电机的噪音频谱测试。噪音频谱特性如图7所示。相比原结构，整机噪音声压级从29.6 dB降低至24.41 dB，且370 Hz噪音峰值消失。降噪效果明显，且异音消除。
结构优化后，对产品一年多的市场售后反馈进行了统计，表明客户使用体验良好，再无噪音不良投诉。
3 结束语
本文针对一款市场上在售的直流无刷电机噪音偏大且存在异音的问题，首先采用噪音频谱特性分析和振动加速度阶次跟踪测试，初步确定了噪音源；其次，采用有限元结构模态仿真，研究电机的结构模态特性，提出了优化方案，成功降低了噪音声压级，且异音消除。本研究对应用于电器产品的电机的降噪优化提供了可靠的理论支撑。参考文献
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横, 2013(22): 97.李峰（1984-），通信作者，男，甘肃平凉人，工程师。研究方向：项目管理。
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（收稿日期：2018-12-28）作者简介：
Realization of Noise Reduction Optimization of Brushless DC Motor Using Spectrum Characteristics Analysis and Test
L I Feng1, ZHANG J i-j i an2
(1. CRRC Zhuzhou Electric Co., Ltd., Zhuzhou 412000, China;
2. Yi Duo Information Technology Co., Ltd., Shanghai 201108, China)
Abstract: A brushless DC motor has too big noise and abnormal sound in its practical applications. The frequency spectrum characteristics and vibration acceleration order tracking tests of its driving fan with and without axial flow blades are carried out respectively. It is found that the noise is originat
ed from the resonance mode at the frequency of 370 Hz and the rotational speed of 900 r/min in the bearing chamber. According to the results of structural modal analysis from ANSYS Mechanical, optimization strategies including increasing the wall thickness of rear casing from 1.8 mm to 2.3 mm and substituting the material of axial flow blade from polypropylene to polyformaldehyde are put forward. The spectrum characteristics test is carried out, showing that the acoustic pressure level of the whole motor is reduced from 29.6 dB to 24.41 dB, and the abnormal sound is eliminated.
Key words: Brushless DC Motor; Noise Reduction; Spectrum Characteristics Analysis; ANSYS Mechanical; Structural Modal Simulation; Acoustic Pressure Level
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